JP2003229366A - Semiconductor laminated structure - Google Patents

Semiconductor laminated structure

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JP2003229366A
JP2003229366A JP2002027829A JP2002027829A JP2003229366A JP 2003229366 A JP2003229366 A JP 2003229366A JP 2002027829 A JP2002027829 A JP 2002027829A JP 2002027829 A JP2002027829 A JP 2002027829A JP 2003229366 A JP2003229366 A JP 2003229366A
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iii
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group
layer
compound
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Application number
JP2002027829A
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Japanese (ja)
Inventor
Koji Nishikawa
孝司 西川
Yoshiteru Hasegawa
義晃 長谷川
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve a half-insulative compound semiconductor layer having a resistivity of 1×10<SP>7</SP>Ω.cm or larger in a semiconductor laminated structure that is formed by performing the epitaxy growth of compound semiconductors on an Si wafer. <P>SOLUTION: The semiconductor laminated structure including impurities 16, where a group III-V compound crystal layer 17 is one or a plurality of Fe (iron), Cr (chromium), Mn (manganese), V (vanadium), C (carbon), O (oxygen) or B (boron). <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、Si基板の上方に
絶縁性あるいは半絶縁性のIII−V族半導体結晶層をエ
ピタキシ成長によって成膜、設置した半導体積層構造と
その製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor laminated structure in which an insulating or semi-insulating group III-V semiconductor crystal layer is formed and installed on a Si substrate by epitaxy and a manufacturing method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来からSi基板上に砒化ガリウム(G
aAs)や燐化インジウム(InP)などに代表される
III−V族化合物半導体を形成するための検討が様々な
研究機関において行われている。GaAs基板やInP
基板など化合物半導体は、Siのみによる基板上に形成
された素子に比べて、より高速でかつ電力効率が高く、
またノイズの少ない高性能の電子素子や発光素子を形成
するのに非常に適した性質を持つ。
2. Description of the Related Art Conventionally, gallium arsenide (G) is formed on a Si substrate.
aAs) and indium phosphide (InP)
Investigations for forming III-V group compound semiconductors have been conducted in various research institutions. GaAs substrate and InP
Compound semiconductors such as substrates are faster and have higher power efficiency than devices formed on substrates made of only Si.
In addition, it has properties very suitable for forming high-performance electronic devices and light-emitting devices with less noise.

【0003】しかしながら、6インチを超える大面積の
基板を形成するために必要な大きさの単結晶インゴット
を作製することは大変難しく、その製造コストはSiに
比べて数倍以上である。そのためSiに対してコスト力
のあるデバイスを作成することは非常に難しい。
However, it is very difficult to manufacture a single crystal ingot of a size necessary for forming a large-sized substrate exceeding 6 inches, and its manufacturing cost is several times or more that of Si. Therefore, it is very difficult to manufacture a device with high cost for Si.

【0004】ところで基板作製方法として最も一般的で
ある「化合物半導体の単結晶インゴットを作製したの
ち、これをスライスして化合物半導体基板ウェハとする
方法」とは異なるやり方で化合物半導体基板を形成しよ
うとする試みがある。すなわち大面積で且つ低コストな
Si基板上に、充分な厚さのGaAsなどの化合物半導
体結晶層をエピタキシ成長し、ウェハ1枚毎の表面部分
のみを化合物半導体結晶層とすることで化合物半導体基
板を実現する方法である。例えばその化合物半導体がG
aAsである場合には、これを「GaAs on Si
(ガリヒソオンシリコン)技術」、またその方法によっ
て作成された基板を「GaAs on Si(ガリヒソ
オンシリコン)基板」と呼ぶ。この技術を使い、その化
合物半導体層の性質がバルク化合物半導体の単結晶イン
ゴットから切り出して作製した基板のそれと同等の性能
であるならば、大面積な化合物半導体基板の製造方法と
して大幅なコスト削減ができると期待されている。また
Siのみでできた基板上に形成された素子では達成でき
なかった高い性能の素子を形成することが可能になると
も期待されている。
By the way, an attempt is made to form a compound semiconductor substrate by a method different from the most common method for producing a substrate, namely, "a method for producing a compound semiconductor single crystal ingot and then slicing this to obtain a compound semiconductor substrate wafer". There is an attempt to do. That is, a compound semiconductor crystal layer such as GaAs having a sufficient thickness is epitaxially grown on a large-area and low-cost Si substrate, and only the surface portion of each wafer is used as a compound semiconductor crystal layer. Is a method of realizing. For example, the compound semiconductor is G
In the case of aAs, this is “GaAs on Si
(Garihiso on silicon) technology ", and the substrate prepared by the method is called" GaAs on Si (Garihiso on silicon) substrate ". If this technique is used and the properties of the compound semiconductor layer are equivalent to those of a substrate prepared by cutting out a single crystal ingot of a bulk compound semiconductor, a significant cost reduction can be achieved as a method for manufacturing a large area compound semiconductor substrate. It is expected to be possible. It is also expected that it will be possible to form a high-performance element that could not be achieved by an element formed on a substrate made of only Si.

【0005】Si基板上にSi半導体を元として素子を
作製する場合において、p型やn型を示す不純物を添加
しないにもかかわらず、1×107Ωcm以上の高い絶
縁性を持ったSi層を入手することは不可能である。ま
たその上にトランジスタやダイオード、キャパシタやイ
ンダクタあるいは抵抗や配線などに代表される素子を個
別な素子分離を行うことなく形成することは不可能であ
る。これはSi結晶中の真性キャリア濃度が室温で約
1.5×1015/cm3あり、その結果、不純物を添加
しない状態の、真性抵抗率が2.5×103Ωcmしか
なく、電流が比較的流れやすいためである。そのため特
に対策を講じない状態での素子分離が不完全となり、寄
生抵抗が発生し、寄生素子も形成されてしまう。
In the case of manufacturing an element based on a Si semiconductor on a Si substrate, a Si layer having a high insulating property of 1 × 10 7 Ωcm or more is obtained without adding p-type or n-type impurities. Is impossible to obtain. Further, it is impossible to form an element represented by a transistor, a diode, a capacitor, an inductor, a resistor, a wiring, or the like thereon without performing individual element isolation. This is because the intrinsic carrier concentration in the Si crystal is about 1.5 × 10 15 / cm 3 at room temperature, and as a result, the intrinsic resistivity is 2.5 × 10 3 Ωcm without adding impurities and the current is This is because it is relatively easy to flow. Therefore, element isolation is incomplete without taking any measures, parasitic resistance occurs, and parasitic elements are also formed.

【0006】そこで、絶縁性の高い基板の上にSi半導
体を用いた素子を形成しようとする場合、素子を形成す
るSi基板表面から数十nm以上の深さの部分にSiO
2からなる絶縁体層を設置することが行われている。そ
れを実現するためには、例えばSi基板中のある深さに
酸素を大量にイオン注入し、これを高温でアニールする
ことによって、Si基板の表面からある深さのところに
SiO2層を形成し、Si/SiO2/Siの積層構造基
板を形成する方法がある。また、表面にSiO2を形成
したSi基板上に、更に非常に薄くした導電性のSi基
板を張り合わせることにより、Si/SiO2/Siの
積層構造基板を形成する手法などもある。これらを総じ
てSOI(Silicon on Insulato
r)基板と呼ぶ。このSOI基板では、SiO2による
高抵抗層を利用して素子分離を容易にしたり、高速動作
を行う電子回路において基板側との寄生容量を削減した
りすることが可能であり、高速、低消費電力の回路の実
現が可能である。
Therefore, when an element using a Si semiconductor is to be formed on a substrate having a high insulating property, SiO is formed in a portion having a depth of several tens nm or more from the surface of the Si substrate on which the element is formed.
Installation of an insulator layer consisting of two is under way. In order to realize this, for example, a large amount of oxygen is ion-implanted at a certain depth in the Si substrate, and this is annealed at a high temperature to form a SiO 2 layer at a certain depth from the surface of the Si substrate. Then, there is a method of forming a Si / SiO 2 / Si laminated structure substrate. There is also a method of forming a Si / SiO 2 / Si laminated structure substrate by bonding an extremely thin conductive Si substrate onto a Si substrate having SiO 2 formed on its surface. SOI (Silicon on Insulato)
r) Called the substrate. In this SOI substrate, it is possible to facilitate element isolation by utilizing a high resistance layer made of SiO 2 and reduce the parasitic capacitance with the substrate side in an electronic circuit that operates at high speed. It is possible to realize a power circuit.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の積層構造においても次の様な問題が存在する。
However, the following problems also exist in these laminated structures.

【0008】先ずSOI基板では、その特殊な製造方法
のために、製造コストが非常に高く、これを利用してL
SIを形成した場合には、従来のSi基板を用いて作ら
れていた回路よりもその製造コストが高く成り過ぎる。
その結果、市場競争力のある製品をつくることができな
かった。また、その性能も、高集積化の観点以外では、
高速・高効率を求めるなどの用途について、結局GaA
sなどの化合物半導体基板上に形成した素子との対コス
ト性能が及ばなかった。
First, the manufacturing cost of an SOI substrate is very high due to its special manufacturing method.
When the SI is formed, its manufacturing cost becomes too high as compared with the circuit made using the conventional Si substrate.
As a result, it was not possible to make products with market competitiveness. In addition, its performance is also from the viewpoint of high integration,
For applications such as high speed and high efficiency, GaA
The cost performance with the device formed on the compound semiconductor substrate such as s was not reached.

【0009】また、例えばGaAsオンシリコンなどに
代表される「化合物半導体をSi基板上にエピタキシ成
長して形成した積層基板」においては、GaAs層など
の化合物半導体層とSi基板との間に発生する欠陥や歪
の発生により、形成された化合物半導体層の結晶性が、
高性能の素子を形成するためにはまだ不充分であった。
これはGaAsのみに限らず、InPやGaP、InG
aAsなどの他の化合物半導体でも同様である。このと
き発生する歪と欠陥は、Si結晶とGaAs結晶との格
子定数の違いに起因する歪に加え、点欠陥や線欠陥、積
層欠陥などの欠陥類であり、またSi結晶とGaAs結
晶の熱膨張係数の違いに起因する歪や欠陥である。更に
は、無極性のSi結晶上に極性結晶であるGaAsをエ
ピタキシ成長して積層することによって生じる位相欠陥
(アンチフェイズ)などもある。これらの欠陥や歪を大
量に内包したGaAs層上に、発光素子や電子素子、抵
抗やインダクタ、キャパシタや配線などの素子を形成し
た場合、その個々のデバイスの性能は、バルクのGaA
s結晶から切り出して作製した基板上のそれと比べて著
しく劣るものになってしまう。また、そのデバイスの動
作によって引き起こされる時間経過に依存した劣化が、
バルクのそれよりも早く、素子の信頼性を充分にとるこ
とができない。そのため、GaAsオンシリコンなどの
「化合物半導体をSi基板上にエピタキシ成長して形成
した基板」の検討は、結晶性が高くかつ欠陥と歪が少な
い結晶の形成に多大な注意が払われ検討が行われてき
た。そして、そのGaAsオンシリコン基板上で高い性
能を持つ素子を形成することが多くの検討の目的であっ
た。その結果、GaAsオンシリコン基板でエピタキシ
成長によって形成されているGaAs層は無ドープであ
るか、あるいはn型あるいはp型に不純物がドープされ
たものであり、その抵抗率は1×103Ωcm以下の比
較的低抵抗なものであった。
In a "laminated substrate formed by epitaxially growing a compound semiconductor on a Si substrate" typified by, for example, GaAs on silicon, it occurs between a compound semiconductor layer such as a GaAs layer and a Si substrate. Due to the occurrence of defects and strain, the crystallinity of the formed compound semiconductor layer is
It was still insufficient to form a high performance device.
This is not limited to GaAs, but InP, GaP, InG
The same applies to other compound semiconductors such as aAs. Strains and defects generated at this time are not only strains caused by the difference in lattice constant between Si crystal and GaAs crystal, but also defects such as point defects, line defects, and stacking faults. Strains and defects caused by the difference in expansion coefficient. Furthermore, there is also a phase defect (anti-phase) caused by epitaxially growing GaAs, which is a polar crystal, on a non-polar Si crystal and laminating it. When elements such as light emitting elements, electronic elements, resistors, inductors, capacitors, and wirings are formed on a GaAs layer containing a large amount of these defects and strains, the performance of each individual device is
It is significantly inferior to that on a substrate produced by cutting out from s crystal. In addition, the time-dependent deterioration caused by the operation of the device
The reliability of the device cannot be sufficiently obtained earlier than that of the bulk. Therefore, the study of "a substrate formed by epitaxially growing a compound semiconductor on a Si substrate" such as GaAs-on-silicon has been conducted with great attention paid to the formation of crystals with high crystallinity and few defects and distortions. I've been told. The formation of an element having high performance on the GaAs-on-silicon substrate has been the object of many studies. As a result, the GaAs layer formed by epitaxy on the GaAs-on-silicon substrate is either undoped or n-type or p-type doped with impurities, and its resistivity is 1 × 10 3 Ωcm or less. It had a relatively low resistance.

【0010】無ドープのGaAs結晶は、本来その抵抗
率が非常に高く、その真性抵抗率は1×106Ωcmに
近いと考えられている。しかしながら、何らかの基板上
にエピタキシ成長して積層した薄膜GaAs層ではその
成長中に混入する不純物や歪、欠陥などによってキャリ
アが発生し、故意には不純物を添加しない無ドープの結
晶層であるにもかかわらず、その抵抗率は1×105Ω
cmより低くなる(不純物としては、結晶成長に用いる
治具に付着する硫黄Sや炭素C、あるいは空気から供給
される炭素Cや石英などの治具そのものから出る珪素S
iなどがある)。この無ドープのエピタキシ成長GaA
s結晶層上にトランジスタを形成した場合、隣り合う素
子同士の間で電気的な分離が充分には達成されない。そ
の結果、目的としないリーク電流が発生して、素子の消
費電力を著しく上昇させる。そのことによって、投入し
た電力に対する仕事の効率は著しく低下する。また寄生
容量がいろいろな部分に発生し、素子の動作時にはそれ
らが充電されるために、素子のスピードが著しく低下す
る。また、その様なリークや寄生容量の発生により、意
図しない回路接続が発生してしまい、当初の目的の動作
が安定して正しく行えなくなるなどの課題があった。こ
れらのことはGaAsに限らず他の化合物半導体をSi
基板やその化合物半導体自身も含めた何らかの基板上に
エピタキシ成長して形成した場合でも同様である。
The undoped GaAs crystal originally has a very high resistivity, and its intrinsic resistivity is considered to be close to 1 × 10 6 Ωcm. However, in a thin film GaAs layer that is epitaxially grown and laminated on some substrate, carriers are generated due to impurities, strains, and defects mixed in during the growth, and even if it is an undoped crystal layer in which no impurities are intentionally added. Regardless, the resistivity is 1 × 10 5 Ω
(Sulfur S or carbon C adhering to the jig used for crystal growth, or carbon S supplied from air or silicon S emitted from the jig itself such as quartz as impurities.
i etc.). This undoped epitaxially grown GaA
When a transistor is formed on the s crystal layer, electrical isolation between adjacent elements is not sufficiently achieved. As a result, an unintended leak current is generated, which significantly increases the power consumption of the device. As a result, work efficiency with respect to the input electric power is significantly reduced. In addition, parasitic capacitance is generated in various parts and they are charged when the device is in operation, so that the speed of the device is significantly reduced. In addition, there is a problem that unintended circuit connection occurs due to the occurrence of such leakage and parasitic capacitance, and the initially intended operation cannot be performed stably and correctly. These are not limited to GaAs, and other compound semiconductors can be used as Si.
The same applies when the film is formed by epitaxy growth on any substrate including the substrate and its compound semiconductor itself.

【0011】GaAs結晶とSi結晶はその結晶系が閃
亜鉛鉱型とダイヤモンド型で非常に似ている一方、格子
定数の差(格子不整合率)が約4%と大きい。またGa
Asの線熱膨張係数が5.5×10-6である一方、Si
の線熱膨張係数は2.33×10-6である。またSi結
晶がSi元素のみからなる結晶で、隣り合う原子同士で
何の電荷の偏りも無いのに比べ、GaAs結晶の場合に
はGaよりもAsの方にその電子の分布が偏る。このこ
とにより、GaAs結晶においては、そのGaとAsが
交互に並んで結晶をつくることとなる。つまり、閃亜鉛
鉱のGaAs結晶において、(001)面を水平な面と
し、先ず第1にGaが配置されたとすると、その面のす
ぐ上には必ずAsからなる面が積層される。そしてその
上にはGaからなる層が積層され、延々とGaとAsが
交互に積層した形で結晶が形作られることになる。この
様なGaAs結晶を、ダイヤモンド構造であるSiの
(001)面上に積層する場合、Siとの界面にはGa
のみからなる層が来る場合と、Asのみからなる層が来
る場合の二つがある。すなわち、Si(001)面上に
Gaの原料とAsの原料を同時に供給した場合には、そ
のSi原子との界面にはGaがSiに接する部分とAs
がSiに接する部分との二つの場合が、2次元的に分布
することとなる。その結果、GaAs層の厚みを増して
いった場合にGaがSiに接して始まった結晶部分とA
sがSiに接して始まった結晶部分の二つのドメインが
斑に分布した一種の多結晶状態になる。そのため、それ
らの結晶粒の境界で結晶粒界が発生することとなる。こ
れを位相境界あるいはアンチフェイズという。このアン
チフェイズによって区切られたそれぞれの領域をアンチ
フェイズドメインと呼ぶ。アンチフェイズは結晶中の原
子が本来の並び方からずれたために生じていることから
欠陥となる。つまりSi上に配置したGaAsではアン
チフェイズによる欠陥が大量に入ることとなる。またG
aの原料とAsの原料を同時に供給せず、どちらかを先
に供給した後、各々の原料を交互に供給することでアン
チフェイズを発生させないようとする方法もある。しか
しながら、この場合もSi結晶の最表面が完全な平滑表
面であることが無いため難しい。例えばSi最表面の直
上がAsのみで始まったとしても、Si最表面上に二次
元的に分布する1原子分の段差により、やはり原子の配
列順序がずれてアンチフェイズが発生することになる。
The crystal systems of GaAs crystal and Si crystal are very similar between the zinc blende type and the diamond type, but the difference in lattice constant (lattice mismatch rate) is as large as about 4%. Also Ga
The linear thermal expansion coefficient of As is 5.5 × 10 −6 , while Si
Has a coefficient of linear thermal expansion of 2.33 × 10 −6 . In addition, the Si crystal is a crystal composed of only Si element, and there is no bias in the charge between adjacent atoms, whereas in the GaAs crystal, the distribution of the electrons is biased toward As rather than Ga. As a result, in the GaAs crystal, Ga and As are alternately arranged to form a crystal. In other words, in the GaAs crystal of zinc blende, if the (001) plane is a horizontal plane and Ga is arranged first, a plane composed of As is always stacked immediately above that plane. Then, a layer made of Ga is laminated thereon, and crystals are formed in a form in which Ga and As are alternately laminated endlessly. When such a GaAs crystal is laminated on the (001) plane of Si having a diamond structure, Ga is formed at the interface with Si.
There are two cases, one is a layer consisting only of A and the other is a layer consisting only of As. That is, when a Ga raw material and an As raw material are simultaneously supplied onto the Si (001) surface, a portion where Ga contacts Si and an As
Is distributed two-dimensionally in two cases. As a result, when the thickness of the GaAs layer was increased, the crystal part that started when Ga contacted Si and A
The two domains of the crystal part starting from s in contact with Si become a kind of polycrystalline state in which the two domains are distributed in the spots. Therefore, a crystal grain boundary is generated at the boundary of those crystal grains. This is called a phase boundary or antiphase. Each area divided by this antiphase is called an antiphase domain. The antiphase is a defect because the atoms in the crystal are displaced from the original arrangement. That is, in GaAs arranged on Si, a large number of defects due to antiphase will be introduced. Also G
There is also a method in which the raw material a and the raw material As are not simultaneously supplied, but either one is supplied first, and then the respective raw materials are alternately supplied so that the antiphase is not generated. However, even in this case, it is difficult because the outermost surface of the Si crystal is not a perfectly smooth surface. For example, even if the surface just above the Si outermost surface starts only with As, due to the step difference of one atom that is two-dimensionally distributed on the outermost Si surface, the arrangement order of the atoms is also deviated and the antiphase occurs.

【0012】これまで行われたGaAsオンシリコンの
試みの中では、アンチフェイズの発生を抑えるために例
えば次の様なことが行われている。つまりSi基板を
(001)面から数度傾けた「オフ基板」と呼ばれる基
板を用いる。これによりSi基板上に発生する段差を揃
えることができる。例えばこのオフ角度を2〜5度にし
た場合、Si基板上にはSi原子2層分の段差が均等に
現れることになる(角度によってその現れる間隔が変化
する)。このことにより、いろいろな形でまちまちに発
生していたSi表面に発生する段差のほとんどを、原子
2層分の段差にすることができる。この状態でGaある
いはAsのどちらかを最初に供給してSi最表面をその
原子で被服し、成膜を行えばGaとAsの二つの原子種
が交互に重なることによって形成される結晶格子がどの
段差を挟んでも同じ繰り返しとなり、その結果アンチフ
ェイズを生ずることがなくなる。
In the attempts of GaAs on silicon performed so far, for example, the following is performed to suppress the occurrence of antiphase. That is, a substrate called an "off substrate" is used in which the Si substrate is tilted several degrees from the (001) plane. This makes it possible to align the steps generated on the Si substrate. For example, when the off angle is set to 2 to 5 degrees, steps of two layers of Si atoms will appear evenly on the Si substrate (the appearing interval changes depending on the angle). As a result, most of the steps generated on the Si surface, which have been generated in various ways, can be converted into steps corresponding to two atomic layers. In this state, either Ga or As is first supplied to coat the Si outermost surface with the atoms, and if a film is formed, a crystal lattice formed by alternately superposing two atomic species of Ga and As is formed. The same repetition will occur regardless of the step, and as a result, the antiphase will not occur.

【0013】ところでGaAs層などSi基板上方にエ
ピタキシ成長される化合物半導体層とSi基板との間に
は、Si結晶の格子情報を化合物半導体層に伝播させる
ことが可能であるならば、当該の化合物半導体でもSi
でもない別の物質からなる層が挿入されていてもよい。
この別の層の挿入によって、化合物半導体層とSi基板
との間にある格子定数差や熱膨張係数の違い、あるいは
極性や表面粗さなど、欠陥や歪などを生じる原因となる
悪い影響の一つあるいはいくつかを緩和したり影響を抑
えたりすることができる。このことにより、Si基板表
面の(001)面に対して、わざわざオフ角を設けずと
も、アンチフェイズのない化合物半導体層をSi基板上
方に設置することができる。これは挿入した層のSi側
界面および開放側表面が自動的に決定されてしまうから
であり、またSi側界面でSi表面のラフネスにより発
生した段差により生じた原子の繰り返し順がずれていて
も、挿入層を成膜しているあいだに、アンチフェイズが
解消されていくからである。この様な目的で挿入される
層のことを総じてバッファー層と呼ぶ。またSi基板上
化合物半導体積層基板においてバッファー層となる物質
には、SrTiO3やBaSrTiO3、BiTiO3
どが知られている。この技術についての例としては、例
えばモトローラ社から出されている欧州特許公開公報
「EP1043426A1」などがある。
By the way, if it is possible to propagate the lattice information of the Si crystal to the compound semiconductor layer between the compound semiconductor layer such as a GaAs layer epitaxially grown on the Si substrate and the Si substrate, the compound in question can be transmitted. Even semiconductors are Si
Nonetheless, a layer of another substance may be inserted.
This insertion of another layer may cause a bad influence that causes defects and strains such as a difference in lattice constant and a coefficient of thermal expansion between the compound semiconductor layer and the Si substrate, or polarity and surface roughness. One or several can be mitigated or their effects reduced. As a result, the compound semiconductor layer having no anti-phase can be provided above the Si substrate without providing the off-angle with respect to the (001) plane of the Si substrate surface. This is because the Si-side interface and the open-side surface of the inserted layer are automatically determined, and even if the repeating order of atoms generated due to the step generated by the roughness of the Si surface at the Si-side interface is deviated. The reason is that the anti-phase is eliminated while the insertion layer is being formed. The layer inserted for such a purpose is generally called a buffer layer. In addition, SrTiO 3 , BaSrTiO 3 , BiTiO 3 and the like are known as substances that form a buffer layer in a compound semiconductor laminated substrate on a Si substrate. An example of this technique is European Patent Publication “EP1043426A1” issued from Motorola.

【0014】バルク化合物半導体単結晶から切り出され
て作製される基板の場合には、この課題を解決するため
に意図的に高抵抗化することが行われていた。その方法
にはいくつかある。その一つとして、例えば化合物半導
体としてGaAsを考えた場合、溶融されたGaAs材
料からGaAs単結晶を形成する際に、異なる元素を不
純物として添加する。この不純物はp型やn型に低抵抗
化する不純物とは異なり、GaAs結晶の抵抗率を上昇
させるように働く。その不純物には例えば酸素(O)や
クロム(Cr)などがある。これらの不純物は、GaA
sをp型やn型化させる不純物とは異なり、GaAs結
晶の禁制帯中に数百meV前後の深いエネルギー準位を
形成し、電子やホールなどのキャリアを捕獲して動けな
くする働きがある。すなわち、CやSiなど低抵抗化を
促す不純物を、OやCrが補償するのである。その結
果、GaAs結晶の抵抗率が上昇し1×107Ωcm以
上の半絶縁性とすることができる。また、この様な不純
物を添加する方法のほかにも、半絶縁性のGaAs結晶
を形成する方法はある。その代表的な例であるLEC
(Liquid Encapsulated CZ)法
で形成した無ドープのGaAs単結晶では、高温に耐え
る酸化ボロン(B23)からなるキャップをGaAs融
液に被せて引き上げを行うことにより、半絶縁性を達成
している。その原理は未だ完全に明らかにされてはいな
いが、GaAs中の過剰なAsに関係して発生すると考
えられるEL2と呼ばれる深い準位がCやSiなどの不
純物を補償して1×108Ωcm以上に高抵抗化するの
であると考えられている。
In the case of a substrate formed by cutting a bulk compound semiconductor single crystal, it has been intentionally made to have a high resistance in order to solve this problem. There are several ways to do that. As one of them, for example, when GaAs is considered as a compound semiconductor, different elements are added as impurities when forming a GaAs single crystal from a melted GaAs material. Unlike the impurities that reduce the resistance to p-type or n-type, this impurity acts to increase the resistivity of the GaAs crystal. The impurities include, for example, oxygen (O) and chromium (Cr). These impurities are GaA
Unlike impurities that change s to p-type or n-type, it has a function of forming a deep energy level of about several hundred meV in the forbidden band of a GaAs crystal and trapping carriers such as electrons and holes to immobilize it. . That is, O and Cr compensate for impurities such as C and Si that promote resistance reduction. As a result, the resistivity of the GaAs crystal is increased and the semi-insulating property of 1 × 10 7 Ωcm or more can be obtained. In addition to the method of adding such impurities, there is a method of forming a semi-insulating GaAs crystal. LEC which is a typical example
In an undoped GaAs single crystal formed by the (Liquid Encapsulated CZ) method, a semi-insulating property is achieved by covering a GaAs melt with a cap made of boron oxide (B 2 O 3 ) that withstands high temperature and pulling it up. ing. Although the principle has not been completely clarified yet, a deep level called EL2, which is considered to be generated in relation to excess As in GaAs, compensates for impurities such as C and Si to reach 1 × 10 8 Ωcm. It is considered that the resistance is increased as described above.

【0015】本発明の目的は、化合物半導体をSi基板
の上方にエピタキシ成長して形成した半導体積層構造に
おいて、1×107Ωcm以上の高い抵抗率を持った半
絶縁性の化合物半導体層を実現することであり、これに
よりこの化合物半導体層上に形成した複数のデバイスの
間で充分な素子分離を行うことが可能になり、かつ意図
しない寄生容量や回路の発生がなくなる。また基板の大
面積化が低コストで行えるようになる。その結果、高速
・低消費電力の素子を安価に実現することができるよう
になる。
An object of the present invention is to realize a semi-insulating compound semiconductor layer having a high resistivity of 1 × 10 7 Ωcm or more in a semiconductor laminated structure formed by epitaxially growing a compound semiconductor on a Si substrate. This makes it possible to perform sufficient element isolation among a plurality of devices formed on this compound semiconductor layer, and eliminates the occurrence of unintended parasitic capacitance and circuits. Further, it becomes possible to increase the area of the substrate at low cost. As a result, a high speed and low power consumption element can be realized at low cost.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】Si基板上方への化合物
半導体層のエピタキシ成長において、FeあるいはCr
あるいはMnあるいはVあるいはOあるいはBの一つ、
あるいはそれらのいくつかを不純物として添加すること
で化合物半導体層を高抵抗化し、Si基板上方に半絶縁
性の化合物半導体層が設置されたSi上化合物半導体積
層基板とすることを考えた。
In the epitaxial growth of a compound semiconductor layer above a Si substrate, Fe or Cr is used.
Or one of Mn, V, O or B,
Alternatively, it has been considered that the compound semiconductor layer is made to have a high resistance by adding some of them as impurities to form a compound semiconductor laminated substrate on Si in which a semi-insulating compound semiconductor layer is provided above the Si substrate.

【0017】Si上化合物半導体積層基板おいて化合物
半導体層はSi基板の上方にエピタキシ成長される。成
膜方法には液相エピタキシ成長(LPE:Liquid
Phase Epita×y)法、分子線エピタキシ
成長(MBE:Molecular Beam Epi
ta×y)法や有機金属気相成長(MOVPE:Met
al Organic Vapor Phase Ep
ita×y)法、有機金属化学堆積(MOCVD:Me
tal Organic chemicalvapor
ization deposition)法などがある
(MOVPE法とMOCVD法とは似た技術で、区別さ
れず用いられる場合もある)。いずれも基板上に、その
基板を種結晶として結晶層をエピタキシ成長していく方
法である。例えば化合物半導体層をGaAsとした場合
のMBE法では、GaAs層の原料としてGa金属とA
s金属を用い、これらを抵抗加熱することによって気化
させ、Si基板上方にエピタキシ成長して堆積する。こ
のときGaAs層はSi基板を種結晶としてそれに倣っ
て結晶構造を形成し結晶成長を行う。このGaAsの成
膜時において、Ga金属とAs金属に加えてFe金属あ
るいはCr金属あるいはMn金属あるいはV金属あるい
はCあるいはB金属の一つあるいはいくつかを加熱気化
させ同時に供給する。その蒸気圧が高い場合にはクヌー
ドセンセル(K−セル)を用いて加熱気化させる。また
低い場合には電子線ビーム(EB)を用いて加熱気化さ
せる。これによりエピタキシ成長したGaAs層中にそ
れらの不純物が添加される。
In the compound semiconductor laminated substrate on Si, the compound semiconductor layer is epitaxially grown above the Si substrate. Liquid phase epitaxy growth (LPE: Liquid)
Phase Epitaxy method, molecular beam epitaxy growth (MBE: Molecular Beam Epi)
ta × y) method and metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE: Met)
al Organic Vapor Phase Ep
ita × y) method, metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD: Me)
tal Organic chemical vapor
ization deposition method and the like (the MOVPE method and the MOCVD method are similar techniques and may be used without distinction). Both are methods of growing a crystal layer on a substrate by using the substrate as a seed crystal. For example, in the MBE method when the compound semiconductor layer is GaAs, Ga metal and A are used as raw materials for the GaAs layer.
The s metal is vaporized by resistance heating, and is epitaxially grown and deposited on the Si substrate. At this time, the GaAs layer uses the Si substrate as a seed crystal to form a crystal structure following the seed crystal to grow crystals. During the formation of this GaAs film, one or more of Fe metal, Cr metal, Mn metal, V metal, C or B metal is heated and vaporized and supplied simultaneously with Ga metal and As metal. When the vapor pressure is high, it is heated and vaporized by using a Knudsen cell (K-cell). When the temperature is low, the electron beam (EB) is used for heating and vaporization. As a result, those impurities are added to the epitaxially grown GaAs layer.

【0018】また化合物半導体層をGaAsとした場合
のMOVPE法あるいはMOCVD法ではGaAs層の
原料として例えばGa(CH33(TMG:tri−m
ethyl garium)とAsH3(アルシン:A
rsine)を用いる。これらをバブリングなどによっ
てArや窒素といったキャリアガスとともに気化させ、
反応管中に置かれた基板上に流すと、加熱機構によって
加熱された基板上でそれぞれのガスが熱分解し化学反応
を起こして基板上にエピタキシ成長して堆積する。この
GaAsの成膜時においてそれぞれの原料と同時にF
e、Cr、Mn、V、Bのそれぞれの有機金属のうちの
一つ、あるいはいくつかを供給する。これによりエピタ
キシ成長したGaAs層中にそれらの不純物が添加され
る。またOを添加させたい場合にはキャリアガスに酸素
を混ぜて流すことで行うことができる。またGa、As
のそれぞれの原料ガスあるいは加える不純物元素の有機
錯体中に酸素を導入しておき、成膜条件を選ぶことによ
ってその酸素をGaAs層中に添加することもできる。
In the MOVPE method or the MOCVD method when the compound semiconductor layer is GaAs, Ga (CH 3 ) 3 (TMG: tri-m) is used as a raw material of the GaAs layer.
Ethyl garium) and AsH 3 (arsine: A
r sine) is used. These are vaporized with a carrier gas such as Ar or nitrogen by bubbling,
When flowing over the substrate placed in the reaction tube, each gas is thermally decomposed on the substrate heated by the heating mechanism to cause a chemical reaction, and epitaxy grows and deposits on the substrate. At the time of film formation of this GaAs, F
One or some of the organic metals of e, Cr, Mn, V, and B are supplied. As a result, those impurities are added to the epitaxially grown GaAs layer. When it is desired to add O, it can be performed by mixing oxygen with a carrier gas and flowing it. In addition, Ga, As
It is also possible to introduce oxygen into each of the source gases or the organic complex of the impurity element to be added and to add the oxygen to the GaAs layer by selecting the film formation conditions.

【0019】以下、以上の考察から導かれた本発明につ
いて説明する。
The present invention derived from the above consideration will be described below.

【0020】本発明はSi基板の上方にエピタキシ成長
によって設置されたIII−V族化合物結晶層がFe
(鉄)あるいはCr(クロム)あるいはMn(マンガ
ン)あるいはV(バナジウム)あるいはC(炭素)ある
いはO(酸素)あるいはB(ホウ素)のうちの一つある
いはその複数を含むことを特徴とする半導体積層構造と
する。
According to the present invention, the III-V group compound crystal layer provided by epitaxy growth on the Si substrate is Fe.
(Iron) or Cr (chromium) or Mn (manganese) or V (vanadium) or C (carbon) or O (oxygen) or B (boron), or a semiconductor laminate characterized by containing one or more of them. The structure.

【0021】また本発明はSi基板の上方にエピタキシ
成長によって配置されたIII−V族化合物結晶層が、適
当な濃度のFeあるいはCrあるいはMnあるいはVあ
るいはCあるいはOあるいはBのうちの一つあるいはそ
の複数をを含むことにより、上記III−V族化合物薄膜
結晶層の比抵抗が1×107Ωcm以上となって半絶縁
性を示すことを特徴とする半導体積層構造とする。
According to the present invention, the III-V group compound crystal layer disposed by epitaxy growth on the Si substrate is one of Fe, Cr, Mn, V, C, O or B of an appropriate concentration. By including a plurality of them, the semiconductor laminated structure is characterized in that the resistivity of the III-V group compound thin film crystal layer is 1 × 10 7 Ωcm or more and exhibits semi-insulating properties.

【0022】また本発明はSi基板の上方にエピタキシ
成長によって配置された半絶縁性III−V族化合物結晶
層において、半絶縁性III−V族化合物結晶層の上部あ
るいは下部あるいはその両方に、エピタキシ成長された
無ドープIII−V族化合物結晶層が設置されていること
を特徴とする半導体積層構造とする。
Further, according to the present invention, in a semi-insulating group III-V compound crystal layer disposed by epitaxy growth on a Si substrate, epitaxy is performed on the upper part or the lower part or both of the semi-insulating group III-V compound crystal layer. A semiconductor laminated structure is provided in which a grown undoped III-V compound crystal layer is provided.

【0023】また本発明はSi基板の上方にエピタキシ
成長によって配置された半絶縁性III−V族化合物結晶
層の上方にn型あるいはp型の導電性を示すIII−V族
化合物結晶層を設置したことを特徴とする半導体積層構
造とする。
In the present invention, a III-V compound crystal layer exhibiting n-type or p-type conductivity is provided above a semi-insulating III-V compound crystal layer arranged by epitaxy growth on a Si substrate. The semiconductor laminated structure is characterized by the above.

【0024】また本発明はSi基板の上方にエピタキシ
成長によって配置されたIII−V族化合物結晶層におい
て、半絶縁性を示すIII−V族化合物薄膜結晶層の膜厚
が1μm以上であることを特徴とする半導体積層構造と
する。
Further, according to the present invention, in the III-V group compound crystal layer arranged by epitaxy growth above the Si substrate, the film thickness of the semi-insulating III-V group compound thin film crystal layer is 1 μm or more. A characteristic semiconductor laminated structure.

【0025】また本発明はSi基板の上方にエピタキシ
成長によって配置されたIII−V族化合物結晶層におい
て、半絶縁性層の上方あるいは下方あるいはその両方に
エピタキシ成長により設置された無ドープIII−V化合
物半導体結晶層の膜厚が50nm以上であることを特徴
とする半導体積層構造とする。
In the present invention, in the III-V group compound crystal layer arranged by epitaxy growth above the Si substrate, the undoped III-V is provided by epitaxy growth above or below the semi-insulating layer or both. The semiconductor laminated structure is characterized in that the compound semiconductor crystal layer has a film thickness of 50 nm or more.

【0026】また本発明はSi基板の上方にエピタキシ
成長によって配置されたIII−V族化合物結晶層からな
る半絶縁性層を含む半導体積層構造を用い、それを基板
としてトランジスタ、ダイオード、抵抗、キャパシタ、
インダクタ、配線などの素子を集積したことを特徴とす
る半導体素子とする。
Further, the present invention uses a semiconductor laminated structure including a semi-insulating layer composed of a III-V group compound crystal layer arranged by epitaxy growth on a Si substrate, and using it as a substrate, a transistor, a diode, a resistor and a capacitor. ,
A semiconductor element characterized by integrating elements such as an inductor and wiring.

【0027】また本発明はSi基板の上方にIII−V族
化合物結晶層をエピタキシ成長させる過程において、II
I族元素原料とV族元素原料と共にFeあるいはCrあ
るいはMnあるいはVあるいはCあるいはOのあるいは
Bうちの一つ、あるいはそれらの複数を供給することを
特徴とする半導体積層構造の形成方法とする。
In the present invention, in the process of epitaxially growing a III-V group compound crystal layer on a Si substrate, II
A method for forming a semiconductor laminated structure is characterized in that one or a plurality of Fe, Cr, Mn, V, C, O, or B is supplied together with a group I element raw material and a group V element raw material.

【0028】また本発明はSi基板の上方にIII−V族
化合物結晶層をエピタキシ成長させる半導体基板の形成
方法において、10-6Torr(1Torr=133.
322Pa)以下の超高真空に減圧可能なMBE装置を
用い、III族元素原料およびV族元素原料のIII−V族化
合物構成材料金属に加えて、Fe原料あるいはCr原料
あるいはMn原料あるいはV原料あるいはC原料あるい
はB原料の一つ、あるいは複数の金属を供給し、その供
給方法にクヌードセンセルやフィラメントセルを用いた
抵抗加熱による供給方法かあるいは電子線(EB:El
ectronBeam)加熱による供給方法を用いるか
あるいは酸素ガスを導入することを特徴とする半導体積
層構造の形成方法とする。
The present invention also provides a method for forming a semiconductor substrate in which a III-V group compound crystal layer is epitaxially grown on a Si substrate, at a concentration of 10 -6 Torr (1 Torr = 133.
322 Pa) or less using an MBE apparatus capable of decompressing to an ultra-high vacuum, in addition to the III-V group compound material metal of the group III element raw material and group V element raw material, Fe raw material, Cr raw material, Mn raw material, V raw material, or One or more metals of the C raw material or the B raw material are supplied, and the supply method by resistance heating using a Knudsen cell or filament cell, or an electron beam (EB: El
Electron Beam) A method of forming a semiconductor laminated structure characterized by using a supply method by heating or introducing oxygen gas.

【0029】また本発明はSi基板の上方にIII−V族
化合物結晶層をエピタキシ成長させる半導体基板の形成
方法において、10-6Torr以下の超高真空に減圧可
能なMBE装置を用い、III−V族化合物半導体の構成
材料であるIII族元素原料およびV族元素原料の金属に
加えて、O原料を供給し、その供給方法にN2O(亜酸
化窒素)やO3(オゾン)などの高酸化性ガスを用いる
か、あるいはO2ガスをプラズマ化などにより励起する
ことによってO2ガスそのものよりも高い反応性の状態
にして用いることを特徴とする半導体積層構造の形成方
法とする。
Further, the present invention is a method of forming a semiconductor substrate in which a III-V group compound crystal layer is epitaxially grown above a Si substrate, using an MBE apparatus capable of reducing the pressure to an ultrahigh vacuum of 10 -6 Torr or less, III- In addition to the metal of the group III element raw material and the group V element raw material which are the constituent materials of the group V compound semiconductor, the O raw material is supplied, and the supply method is N 2 O (nitrous oxide) or O 3 (ozone). A method for forming a semiconductor laminated structure is characterized in that a highly oxidizing gas is used or the O 2 gas is excited into a state of higher reactivity than the O 2 gas itself by exciting the O 2 gas into plasma or the like.

【0030】また本発明はSi基板の上方にIII−V族
化合物結晶層をエピタキシ成長させる半導体基板の形成
方法において、有機金属気相成長法を用いIII族金属ア
ルキル化合物およびV族水素化物のIII−V族化合物構
成材料に加えてFeあるいはCrあるいはMnあるいは
VあるいはCあるいはBのいずれか一つ、あるいは複数
の有機金属化合物あるいはその錯体を加えて成膜するこ
とによって、半絶縁性III−V族化合物薄膜結晶層を結
晶性基板の上方に形成することを特徴とする半導体積層
構造の形成方法とする。
The present invention also provides a method for forming a semiconductor substrate in which a III-V group compound crystal layer is epitaxially grown on a Si substrate, using a metal-organic vapor phase epitaxy method to form a group III metal alkyl compound and a group V hydride III. Semi-insulating III-V by forming a film by adding one or more of Fe, Cr, Mn, V, C, or B, or a plurality of organometallic compounds or complexes thereof in addition to the -V compound constituent material A method for forming a semiconductor laminated structure, comprising forming a group compound thin film crystal layer above a crystalline substrate.

【0031】また本発明はSi基板の上方にエピタキシ
成長によって配置された無ドープのIII−V族化合物薄
膜結晶層上にFeあるいはCrあるいはMnあるいはV
あるいはCあるいはOあるいはBのうちの一つ、あるい
は複数の元素あるいはその化合物をイオン注入すること
により、Si基板の上方に形成されたIII−V族化合物
薄膜結晶層の比抵抗を1×107Ωcm以上として半絶
縁性にすることを特徴とする半導体積層構造の形成方法
とする。
Further, according to the present invention, Fe, Cr, Mn, or V is formed on an undoped III-V compound thin film crystal layer arranged by epitaxy growth on a Si substrate.
Alternatively, by ion-implanting one of C, O, or B, or a plurality of elements or compounds thereof, the resistivity of the III-V group compound thin film crystal layer formed above the Si substrate is set to 1 × 10 7. A method for forming a semiconductor laminated structure is characterized in that it has a semi-insulating property with Ωcm or more.

【0032】また本発明はSi基板の上方にIII−V族
化合物結晶層をエピタキシ成長させた半導体積層構造に
おいて上記III−V族化合物がGaあるいはInあるい
はAlのIII族元素のいずれか一つあるいはその複数
と、As(砒素)あるいはP(燐)あるいはN(窒素)
のV族元素のいずれか一つあるいはその複数とによる化
合物であることを特徴とする半導体積層構造とする。
According to the present invention, in the semiconductor laminated structure in which the III-V group compound crystal layer is epitaxially grown above the Si substrate, the III-V group compound is any one of Ga, In, and Al group III elements. A plurality of them and As (arsenic) or P (phosphorus) or N (nitrogen)
The semiconductor laminated structure is characterized in that it is a compound of any one of the group V elements or a plurality thereof.

【0033】また本発明はSi基板の上方にIII−V族
化合物結晶層をエピタキシ成長させる半導体基板の形成
方法において、上記III−V族化合物がGaあるいはI
nあるいはAlのIII族元素のいずれか一つあるいはそ
の複数と、As(砒素)あるいはP(燐)あるいはN
(窒素)のV族元素のいずれか一つあるいはその複数と
による化合物であることを特徴とする半導体積層構造の
形成方法とする。
The present invention also provides a method of forming a semiconductor substrate in which a III-V group compound crystal layer is epitaxially grown on a Si substrate, wherein the III-V group compound is Ga or I.
One or more of n or Al group III elements and As (arsenic), P (phosphorus), or N
A method for forming a semiconductor laminated structure is characterized in that it is a compound of any one or more of group V elements of (nitrogen).

【0034】[0034]

【発明の実施の形態】次に本発明におけるSi基板の上
方にエピタキシ成長によって設置された半絶縁性層を含
むIII−V族化合物半導体積層構造とその成膜方法、お
よびそれによって形成されるデバイスについて図面を参
照しながら説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Next, a III-V group compound semiconductor laminated structure including a semi-insulating layer provided by epitaxy growth above a Si substrate according to the present invention, a method for forming the same, and a device formed thereby. Will be described with reference to the drawings.

【0035】(第1の実施形態)先ず本発明におけるS
i基板の上方にエピタキシ成長によって設置された半絶
縁性層を含むIII−V族化合物半導体積層構造を形成す
るための成膜方法について、その第1の実施例について
説明する。
(First Embodiment) First, S in the present invention
A first example of a film forming method for forming a III-V group compound semiconductor laminated structure including a semi-insulating layer provided by epitaxy growth on an i substrate will be described.

【0036】図1は、本発明に係る半導体積層構造の形
成方法の一つである分子線エピタキシ(MBE)成長法
について、その装置を模式的に示したものである。
FIG. 1 schematically shows an apparatus for a molecular beam epitaxy (MBE) growth method which is one of the methods for forming a semiconductor laminated structure according to the present invention.

【0037】今、形成する半導体積層構造においてSi
基板の上方にエピタキシ成長によって設置するIII−V
族化合物半導体の構成を簡単のためにGaAsとする。
なおこのIII−V族化合物半導体におけるIII族元素、V
族元素の構成はそれぞれGa、In、AlおよびAs、
P、Nのうちのそれぞれどの一個ずつでもよいし、複数
個ずつでもよい。
Now, in the semiconductor laminated structure to be formed, Si
III-V installed by epitaxy growth above the substrate
The group compound semiconductor is GaAs for simplicity.
In addition, in the III-V group compound semiconductor, a group III element, V
The elements of the group elements are Ga, In, Al and As, respectively.
Any one of P and N may be provided, or a plurality thereof may be provided.

【0038】真空チャンバ1はMBE成長法において用
いられるMBE成長装置の本体であり、内部を1×10
-7Torr以下の高度な気密状態に保つことのできる真
空容器である。真空チャンバ1中には半導体積層構造が
形成される基板2が導入、設置され基板加熱装置3によ
って所望の温度に加熱、保持される。基板2において半
導体積層構造が形成される前の最初の状態はSiであ
る。またその表面にはSi(001)面が露出してい
る。真空チャンバ1は真空ポンプ4によって排気されて
おり、これによって高度な真空状態を達成することがで
きる。真空チャンバ1は基板導入室5を備えており、基
板2は外部で洗浄されてから、先ずこの基板導入室5に
導入され真空チャンバ1に導入される。基板導入室5は
通常、真空チャンバ1とは個別に真空ポンプによって排
気されていることが多く、また真空チャンバ1とは高度
に気密な開閉可能な隔壁(ゲート)によってしきられて
いることが多い。これによって真空チャンバ1が直接大
気と接することを防ぎ、真空チャンバ1の真空度を高度
なものに保つことができる。今MBE成長におけるIII
族元素の原料としてGa金属を使用し、これをK−セル
(クヌードセンセル)6に充填して用いる。K−セル6
には抵抗加熱によって充填されたGa金属を加熱、蒸発
させ、基板2へと供給する。V族元素の原料としてはA
s金属を使用し、これをK−セル7に充填して用いる。
Ga金属と同様に加熱によって蒸発させ基板2へと供給
する。なおGaAs以外の化合物を形成する場合はK−
セル6、K−セル7にそれぞれその構成するIII族およ
びV族元素を充填して用いればよいし、それぞれについ
て複数の元素を用いる場合はK−セルの数をその数だけ
追加して用いれば良い。
The vacuum chamber 1 is the main body of the MBE growth apparatus used in the MBE growth method, and the inside is 1 × 10.
It is a vacuum container that can maintain a highly airtight state of -7 Torr or less. The substrate 2 on which the semiconductor laminated structure is formed is introduced and installed in the vacuum chamber 1, and is heated and maintained at a desired temperature by the substrate heating device 3. The first state before the semiconductor laminated structure is formed on the substrate 2 is Si. Further, a Si (001) plane is exposed on the surface. The vacuum chamber 1 is evacuated by the vacuum pump 4, whereby a high vacuum state can be achieved. The vacuum chamber 1 is provided with a substrate introducing chamber 5, and the substrate 2 is first cleaned into the substrate introducing chamber 5 and then introduced into the vacuum chamber 1. The substrate introducing chamber 5 is usually evacuated separately from the vacuum chamber 1 by a vacuum pump, and is often separated from the vacuum chamber 1 by a highly airtight partition wall (gate) that can be opened and closed. . As a result, the vacuum chamber 1 can be prevented from coming into direct contact with the atmosphere, and the vacuum degree of the vacuum chamber 1 can be kept high. III in MBE growth now
Ga metal is used as a raw material of the group element, and this is filled in K-cell (Knudsen cell) 6 for use. K-cell 6
The Ga metal filled by resistance heating is heated and evaporated to be supplied to the substrate 2. A as a raw material for group V elements
The s metal is used, and this is used by filling the K-cell 7.
Like Ga metal, it is evaporated by heating and supplied to the substrate 2. When forming a compound other than GaAs, K-
The cells 6 and K-cells 7 may be filled with the constituent Group III and V elements, respectively, and when a plurality of elements are used for each, the number of K-cells may be added and used. good.

【0039】III−V族化合物半導体の構成元素の原料
だけを基板2に供給した場合は不純物が故意には添加さ
れていない無ドープのGaAs層が形成されるが、半絶
縁性層の形成やp型あるいはn型層の形成のためにはド
ーパントを追加して供給する必要がある。ドーパント
(不純物)の固体であり、その蒸発のための温度が13
00℃以下の場合はGaやAsの場合と同様K−セル8
が持ち入られる。また1300℃を超える場合にはEB
(電子線)加熱装置9が用いられる。またドーパントが
常温で気体である場合にはガスセル10が用いられる。
ガスセル10はチャンバ1の外から供給されるガス流量
をコントロールしながら基板2に供給することができる
とともに、加熱(クラッキング)やRF(高周波)プラ
ズマ励起などによってガスを高励起状態にして供給する
ことができる。なおSi基板とGaAs層との間に別の
構成からなる層であるバッファ層を挿入する場合も同様
に、その蒸発温度やガスの有無に応じてK−セル、EB
加熱装置、ガスセルを追加する。
When only the raw materials of the constituent elements of the III-V compound semiconductor are supplied to the substrate 2, an undoped GaAs layer in which impurities are not intentionally added is formed, but formation of a semi-insulating layer or In order to form the p-type or n-type layer, it is necessary to supply additional dopant. It is a solid of dopant (impurity) and its evaporation temperature is 13
When the temperature is below 00 ° C, K-cell 8 is used as in the case of Ga and As.
Is brought in. If it exceeds 1300 ° C, EB
The (electron beam) heating device 9 is used. When the dopant is a gas at room temperature, the gas cell 10 is used.
The gas cell 10 can supply the gas to the substrate 2 while controlling the flow rate of the gas supplied from the outside of the chamber 1, and supplies the gas in a highly excited state by heating (cracking) or RF (radio frequency) plasma excitation. You can Similarly, when a buffer layer, which is a layer having a different structure, is inserted between the Si substrate and the GaAs layer, the K-cell, the EB, or the like depending on the evaporation temperature or the presence of gas.
Add a heating device and gas cell.

【0040】図2は本発明に係る第1の実施例における
半導体積層構造の形成工程をその段階にそって模式的に
示した図面である。
FIG. 2 is a drawing schematically showing the step of forming a semiconductor laminated structure in the first embodiment according to the present invention along with the step.

【0041】図2(a)は半導体積層構造を形成する最
初の状態であるSi基板11を示しており、この場合は
更にバッファ層12がその表面に積層され露出してい
る。バッファ層には例えばSrTiO3やBaSrTi
3、BiTiO3などがある。バッファ層はこれらSi
基板とGaAs層との間でその格子定数の違いや熱膨張
係数の違いによる歪を緩和し、欠陥の発生を抑制してか
つアンチフェイズの発生を抑える効果を持つ。なお以下
述べる図2における工程でこのバッファ層を用いない場
合もある。その場合GaAs層はSi基板11上に直接
積層されることになる。
FIG. 2A shows the Si substrate 11 in the initial state of forming a semiconductor laminated structure, and in this case, the buffer layer 12 is further laminated and exposed on the surface thereof. For the buffer layer, for example, SrTiO 3 or BaSrTi
Examples include O 3 and BiTiO 3 . The buffer layer is made of these Si
The strain due to the difference in the lattice constant and the difference in the coefficient of thermal expansion between the substrate and the GaAs layer is relaxed, and the effects of suppressing the occurrence of defects and suppressing the occurrence of antiphase are provided. The buffer layer may not be used in the step shown in FIG. 2 described below. In that case, the GaAs layer is directly laminated on the Si substrate 11.

【0042】図2(b)はこのバッファ層12上にK−
セルによって加熱蒸発されたGa原料、As原料が到達
する様子を示している。バッファ層12を含むSi基板
11はMBEチャンバ1中の基板加熱装置3によってG
aAs層のエピタキシ成長に最も適した温度に保持され
ており、通常その温度は450℃から680℃の間にあ
る。またGa原料、As原料の供給に先だって、バッフ
ァ層12の表面には先ずどちらかの原料が供給されるこ
とが多く、この場合はAs原料を先にバッファ層12上
に供給し、その表面をAs原料によって被覆している。
なお、As原料はK−セル7によって加熱蒸発され気体
状態で基板2に供給されるがその気体の形体はAs原子
のみでは無く、むしろAsが複数個結合したAs2から
As8までの分子が中心となった蒸気であると考えられ
ている。従って、基板上に到達したAs原料13もAs
原子単体のみで無く、Asが複数個結合した状態も含ん
でいると考えられる。またバッファ層に接する界面では
バッファ層の原子とも結合を形成した状態でもあると考
えられる。なお、バッファ層12の表面にAs原料では
無くGa原料を先に供給し被覆しておいてもよい。この
場合、Ga原料はほぼGa原子の状態で供給されると考
えられており、バッファ層12の表面にはGa原子ある
いはGa原子がバッファ層12の表面の原子と結合を作
った状態のものが存在していると思われる。
In FIG. 2B, K- is formed on the buffer layer 12.
It shows how the Ga raw material and the As raw material, which have been heated and vaporized by the cell, arrive. The Si substrate 11 including the buffer layer 12 is subjected to G by the substrate heating device 3 in the MBE chamber 1.
It is kept at the most suitable temperature for epitaxy growth of the aAs layer, which is usually between 450 ° C and 680 ° C. In addition, prior to the supply of the Ga raw material and the As raw material, either of the raw materials is often supplied first to the surface of the buffer layer 12. In this case, the As raw material is supplied onto the buffer layer 12 first, and the surface thereof is It is coated with As raw material.
The As raw material is heated and evaporated by the K-cell 7 and is supplied to the substrate 2 in a gas state. However, the form of the gas is not only As atoms, but rather molecules of As 2 to As 8 having a plurality of As bonded. It is believed to be the main steam. Therefore, the As raw material 13 reaching the substrate is also As
It is considered to include not only single atoms but also a state in which a plurality of As are bonded. It is also considered that bonds are formed with atoms of the buffer layer at the interface in contact with the buffer layer. Note that the surface of the buffer layer 12 may be first coated with a Ga raw material instead of the As raw material. In this case, it is considered that the Ga raw material is supplied in a state of almost Ga atoms, and Ga atoms on the surface of the buffer layer 12 or those in which Ga atoms form bonds with atoms on the surface of the buffer layer 12 are considered. It seems to exist.

【0043】これら、As原料あるいはGa原料でバッ
ファ層12が被覆された表面にGa原料、As原料を供
給することで図2(c)で表される様にGaAs層が形
成される。この時バッファ層表面にはGa原料、As原
料だけが供給される。従って形成されたGaAs層15
は全く何も不純物が添加されていない無ドープのGaA
s層である。
By supplying the Ga raw material and the As raw material to the surface of the buffer layer 12 coated with the As raw material or the Ga raw material, a GaAs layer is formed as shown in FIG. 2C. At this time, only Ga raw material and As raw material are supplied to the surface of the buffer layer. Therefore, the GaAs layer 15 formed
Is undoped GaA with no impurities added
It is the s layer.

【0044】図2(d)はSi基板11とバッファ層1
2の上方にエピタキシ成長された無ドープGaAs層1
5上に半絶縁性のGaAs層を形成する様子を現してい
る。すなわち無ドープGaAs層15上にAs原料1
3、Ga原料14と共に絶縁性を達成するための不純物
16を供給する。絶縁層を達成するために供給される不
純物16にはFeあるいはCrあるいはMnあるいはV
あるいはCあるいはOあるいはBなどがあり、ここでは
例えばCrを用いるとする。
FIG. 2D shows the Si substrate 11 and the buffer layer 1.
Undoped GaAs layer 1 epitaxially grown above 2
5 shows how a semi-insulating GaAs layer is formed on the substrate 5. That is, the As raw material 1 is formed on the undoped GaAs layer 15.
3. The impurities 16 for achieving the insulating property are supplied together with the Ga raw material 14. The impurities 16 supplied to achieve the insulating layer are Fe, Cr, Mn, or V.
Alternatively, there are C, O, or B, and here, for example, Cr is used.

【0045】図2(e)は図2(d)における成膜の結
果形成された積層構造を示すもので無ドープGaAs層
15上にCrを不純物として含む半絶縁性GaAs層1
7が形成されている。この時半絶縁性GaAs層17に
おけるCr濃度は約5×10 15cm-3から5×1016
-3の間である。
FIG. 2 (e) shows the result of film formation in FIG. 2 (d).
An undoped GaAs layer showing the formed laminated structure
Semi-insulating GaAs layer 1 containing Cr as an impurity on 15
7 are formed. At this time, the semi-insulating GaAs layer 17
Cr concentration is about 5 × 10 15cm-3From 5 × 1016c
m-3Is in between.

【0046】図2(f)は、同様な過程を経て半絶縁性
GaAs層17の上に第2の無ドープGaAs層18
と、n型あるいはp型不純物を添加されてn型あるいは
p型半導体になったGaAs層19を形成した状態を表
している。ここでは電気的に半導体であるGaAs層1
9として例えばn型GaAs層を考え、添加されている
不純物20をn型不純物の一つであるSiとする。
FIG. 2F shows the second undoped GaAs layer 18 on the semi-insulating GaAs layer 17 through the same process.
And a state in which an n-type or p-type impurity is added to form a GaAs layer 19 which has become an n-type or p-type semiconductor. Here, the GaAs layer 1 which is an electrically semiconductor
For example, an n-type GaAs layer is considered as 9, and the added impurity 20 is Si which is one of the n-type impurities.

【0047】なお無ドープGaAs層15と半絶縁性層
17および第2の無ドープ層18は目的に応じて任意の
厚さで形成することができる。しかしながら、形成され
た積層半導体構造上にいろいろな素子を集積することを
考えた場合、その厚さには適当な厚さが存在する。第1
の無ドープ層15の厚さを膜厚a、半絶縁性層17の厚
さを膜厚b、第2の無ドープ層18の厚さを膜厚cとし
た場合、それぞれの厚さは50nm以上、1μm以上、
50nm以上である。
The undoped GaAs layer 15, the semi-insulating layer 17, and the second undoped layer 18 can be formed in any thickness according to the purpose. However, when considering the integration of various devices on the formed laminated semiconductor structure, there is an appropriate thickness. First
When the thickness of the undoped layer 15 is the thickness a, the thickness of the semi-insulating layer 17 is the thickness b, and the thickness of the second undoped layer 18 is the thickness c, each thickness is 50 nm. Or more, 1 μm or more,
It is 50 nm or more.

【0048】半絶縁性層17はその抵抗率が1×107
Ωcm以上であるので集積回路において二つ以上の素子
を電気的に分離するには充分な抵抗率を持つ。その厚さ
は専ら半絶縁性層17の上方に設置される集積回路上の
素子とSi基板11との間の破壊耐圧とリーク電流量、
およびキャパシタンスによって決定される。今50μm
×50μmの正方形の金属電極が半絶縁性層17上に直
接設置されてSi基板11との間で電圧が印加されると
すると、その抵抗は膜厚1μmの時に、4×107Ωと
なるので電圧10V印加した時もそのリーク電流量は、
2.5×10-7A/cm2と非常に少ない。またその電
界強度は膜厚1μmの時に10kV/cmとなり、Ga
As自身の破壊電圧に比べて充分小さく、電気的には非
常に安定である。しかしそのキャパシタンスは、2.5
4×10-13Fとなり、充分小さいが、これ以上大きく
なると素子の動作速度を下げる効果が目立ってくる。従
ってこれを利用して形成した集積回路を非常に安定でか
つ高速動作、低消費電力となるようにするためには半絶
縁性層17が1μm以上あることが望ましい。
The semi-insulating layer 17 has a resistivity of 1 × 10 7
Since it is Ωcm or more, it has a sufficient resistivity to electrically separate two or more elements in an integrated circuit. Its thickness is the breakdown withstand voltage and the amount of leak current between the Si substrate 11 and the element on the integrated circuit which is installed above the semi-insulating layer 17 exclusively.
And the capacitance. Now 50 μm
If a square metal electrode of 50 μm is directly placed on the semi-insulating layer 17 and a voltage is applied between it and the Si substrate 11, its resistance is 4 × 10 7 Ω when the film thickness is 1 μm. Therefore, even when a voltage of 10 V is applied, the leakage current amount is
Very low, 2.5 × 10 −7 A / cm 2 . The electric field strength becomes 10 kV / cm when the film thickness is 1 μm, and Ga
It is sufficiently smaller than the breakdown voltage of As itself and is very stable electrically. However, its capacitance is 2.5
It becomes 4 × 10 −13 F, which is sufficiently small, but when it is larger than this, the effect of reducing the operation speed of the element becomes conspicuous. Therefore, it is desirable that the semi-insulating layer 17 has a thickness of 1 μm or more in order to make the integrated circuit formed by utilizing this very stable, high speed operation and low power consumption.

【0049】半絶縁性層17のGaAs結晶に対してS
i基板の構成材料であるSiはn型の不純物である。ま
たバッファ層中にあるGaAs結晶層中に拡散していっ
た場合にSr、Baなどもn型の不純物として働く。従
ってSi基板11やバッファ層12、あるいは上部に形
成したn型ドーピング層19からの原子の拡散によっ
て、半絶縁性層17の抵抗率が落ちる可能性がある。そ
こで半絶縁性層17の周りに無ドープの層15および1
8を設置する。このことによりSi基板中のSi、やバ
ッファ層中のSr、あるいはn型GaAs中のSiなど
が半絶縁性基板にまで浸透して絶縁性が落ちることを防
ぐ。そのためには無ドープ層の膜厚が50nm以上ある
必要がある。
For the GaAs crystal of the semi-insulating layer 17, S
Si, which is a constituent material of the i substrate, is an n-type impurity. Further, when diffused into the GaAs crystal layer in the buffer layer, Sr, Ba, etc. also act as n-type impurities. Therefore, the resistivity of the semi-insulating layer 17 may decrease due to the diffusion of atoms from the Si substrate 11, the buffer layer 12, or the n-type doping layer 19 formed above. So around the semi-insulating layer 17 the undoped layers 15 and 1
Install 8. This prevents Si in the Si substrate, Sr in the buffer layer, Si in n-type GaAs, or the like from penetrating into the semi-insulating substrate and deteriorating the insulating property. For that purpose, the thickness of the undoped layer must be 50 nm or more.

【0050】(第2の実施形態)次に本発明におけるS
i基板の上方にエピタキシ成長によって設置された半絶
縁性層を含むIII−V族化合物半導体積層構造を形成す
るための成膜方法について、その第2の実施例について
説明する。
(Second Embodiment) Next, S in the present invention
A second example of a film forming method for forming a III-V compound semiconductor laminated structure including a semi-insulating layer provided by epitaxy growth on an i substrate will be described.

【0051】今、形成する半導体積層構造においてSi
基板の上方にエピタキシ成長によって設置するIII−V
族化合物半導体の構成を簡単のためにGaAsとする。
なおこのIII−V族化合物半導体におけるIII族元素、V
族元素の構成はそれぞれGa、In、AlおよびAs、
P、Nのうちのそれぞれどの一個ずつでもよいし、複数
個ずつでもよい。
Now, in the semiconductor laminated structure to be formed, Si
III-V installed by epitaxy growth above the substrate
The group compound semiconductor is GaAs for simplicity.
In addition, in the III-V group compound semiconductor, a group III element, V
The elements of the group elements are Ga, In, Al and As, respectively.
Any one of P and N may be provided, or a plurality thereof may be provided.

【0052】図3は第2の実施例においてエピタキシ成
長に用いるMOVPE装置について模式的に示した図面
である。反応管21はその中でMOVPE成長ができる
よう低真空から低加圧状態までの気密状態に対応した容
器であり、通常石英などが用いられるがステンレスによ
って作られていることも多い。この反応管21中に基板
22が導入されて基板保持装置23上に設置されてい
る。この基板保持装置には加熱機構が付加されているこ
とが多く、それによって基板をエピタキシ成長に適当な
温度まで加熱し保持することができる。また別の場合に
は基板保持装置には加熱機構を備えず、反応管21の周
りに高周波コイルを設置して高周波による基板の直接加
熱をする場合もある。この反応管21はポンプ24によ
って排気されており、エピタキシ成長のために流されて
反応しなかった余分なガスをガス分解塔につながる配管
25まで排気されている。この反応管21中には配管2
6を通って原料ガスを導入する。導入されるガスにはキ
ャリアガス27としては例えばN2(窒素)やH2(水
素)などがあり、原料ガス28としてGaAsの成膜に
対しては例えばGa原料であるTMG(Al(C
33)、アルシン(ArH3)などがある。また不純
物原料29としては例えば半絶縁性を達成するために導
入されるFeの原料であるフェロセンやn型ドーパント
のSiの原料であるシラン(SiH4)、p型ドーパン
トのDMZ(Zn(CH32)などがある。
FIG. 3 is a drawing schematically showing a MOVPE apparatus used for epitaxy growth in the second embodiment. The reaction tube 21 is a container corresponding to an airtight state from a low vacuum to a low pressure state so that MOVPE growth can be performed therein. Usually, quartz or the like is used, but it is often made of stainless steel. The substrate 22 is introduced into the reaction tube 21 and installed on the substrate holding device 23. A heating mechanism is often added to this substrate holding device, whereby the substrate can be heated and held at a temperature suitable for epitaxy growth. In another case, the substrate holding device may not be provided with a heating mechanism, and a high frequency coil may be installed around the reaction tube 21 to directly heat the substrate by high frequency. The reaction tube 21 is evacuated by a pump 24, and the excess gas that has flowed for epitaxy growth and has not reacted is evacuated to a pipe 25 connected to the gas decomposition tower. In this reaction tube 21, piping 2
A raw material gas is introduced through 6. The introduced gas includes, for example, N 2 (nitrogen) and H 2 (hydrogen) as the carrier gas 27, and for forming a GaAs film as the source gas 28, for example, Ga source TMG (Al (C
H 3) 3), there is such as arsine (ArH 3). Further, as the impurity raw material 29, for example, ferrocene which is a raw material of Fe introduced to achieve semi-insulating property, silane (SiH 4 ) which is a raw material of Si of an n-type dopant, and DMZ (Zn (CH 3 ) 2 ) etc.

【0053】図4は本発明に係る第2の実施例における
半導体積層構造の形成工程をその段階にそって模式的に
示した図面である。
FIG. 4 is a drawing schematically showing the step of forming a semiconductor laminated structure in the second embodiment according to the present invention along with the step.

【0054】図4(a)は半導体積層構造を形成する最
初の状態であるSi基板30を示しており、この場合は
更にバッファ層31がその表面に積層され露出してい
る。バッファ層には第1の実施例と同様に例えばSrT
iO3やBaSrTiO3、BiTiO3などがあり、そ
の働きも同様である。なお以下述べる図4における工程
でこのバッファ層を用いない場合もある。その場合Ga
As層はSi基板30上に直接積層されることになる。
FIG. 4A shows the Si substrate 30 in the initial state of forming a semiconductor laminated structure. In this case, the buffer layer 31 is further laminated on the surface and exposed. For the buffer layer, for example, SrT is used as in the first embodiment.
iO 3 and BaSrTiO 3, BiTiO 3 include, the same applies to the work. In some cases, this buffer layer may not be used in the step in FIG. 4 described below. In that case Ga
The As layer will be directly laminated on the Si substrate 30.

【0055】図4(b)はMOVPE装置の反応管21
中に設置された基板22において、その表面のバッファ
層31上に供給されたAs原料であるアルシン32が到
達する様子を示している。バッファ層31を含むSi基
板30は反応管21中の基板保持装置23の加熱機構に
よってGaAs層のエピタキシ成長に最も適した温度に
保持されており、通常その温度は500℃から900℃
の間にある。またGa原料、As原料の供給に先だっ
て、バッファ層31の表面には先ずどちらかの原料が供
給されることが多く、この場合はAs原料であるアルシ
ン32を先にバッファ層12上に供給し、その表面をA
s34によって被覆している。
FIG. 4B shows the reaction tube 21 of the MOVPE apparatus.
The figure shows a state in which the arsine 32 as the As raw material supplied onto the buffer layer 31 on the surface of the substrate 22 installed therein reaches. The Si substrate 30 including the buffer layer 31 is kept at a temperature most suitable for the epitaxial growth of the GaAs layer by the heating mechanism of the substrate holding device 23 in the reaction tube 21, and the temperature is usually 500 ° C. to 900 ° C.
Between Prior to supplying the Ga raw material and the As raw material, either raw material is often supplied first to the surface of the buffer layer 31, and in this case, the arsine 32 which is the As raw material is supplied to the buffer layer 12 first. , Its surface is A
It is covered with s34.

【0056】図4(b)は供給されたアルシン32の反
応の様子を示している。砒素の水素化物であるアルシン
32はバッファ層31の表面に到達し吸着し水素との結
合状態が弱くなった遷移状態33を形成する。さらに基
板22が持つ熱によって完全に水素との間の結合が離断
され、水素が雰囲気中に遊離する。その結果バッファ層
表面に砒素原子34が単独で吸着する状態となる。
FIG. 4 (b) shows the reaction state of the supplied arsine 32. Arsine 32, which is a hydride of arsenic, reaches the surface of the buffer layer 31 and is adsorbed to form a transition state 33 in which the bonding state with hydrogen is weakened. Further, the heat of the substrate 22 completely breaks the bond with hydrogen, and hydrogen is released into the atmosphere. As a result, arsenic atoms 34 are solely adsorbed on the surface of the buffer layer.

【0057】図4(c)は供給されたTMG35の反応
の様子を示している。ガリウムのアルキル化合物である
TMG35は砒素原子34で被覆されたバッファ層31
の表面に到達、吸着し、アルキル基との結合状態が弱く
なった遷移状態36を形成する。さらに基板22が持つ
熱によって完全にアルキル基との間の結合が離断され、
アルキル分子38が雰囲気中に遊離する。その結果バッ
ファ層31上を被覆していた砒素原子34とGa原子3
4が反応してGaAs化合物となる。
FIG. 4 (c) shows the reaction state of the supplied TMG35. TMG35, which is an alkyl compound of gallium, is a buffer layer 31 covered with arsenic atoms 34.
Reaches and is adsorbed on the surface of the, and forms a transition state 36 in which the bonding state with the alkyl group is weakened. Further, the heat of the substrate 22 completely separates the bond with the alkyl group,
The alkyl molecules 38 are released into the atmosphere. As a result, the arsenic atoms 34 and Ga atoms 3 covering the buffer layer 31
4 reacts to form a GaAs compound.

【0058】なお、バッファ層31の表面にAs原料で
あるアルシン32では無くGa原料であるTMG35を
先に供給し被服しておいてもよい。
Note that the surface of the buffer layer 31 may be first supplied with the Ga source TMG 35 instead of the source Arsine 32 and coated therewith.

【0059】これら、As原料あるいはGa原料でバッ
ファ層31が被覆された表面にGa原料、As原料を供
給することでGaAs層が形成される。この時バッファ
層表面にはGa原料、As原料だけが供給される。従っ
て形成されたGaAs層は全く何も不純物が添加されて
いない無ドープのGaAs層である。
The GaAs layer is formed by supplying the Ga raw material and the As raw material to the surface of the buffer layer 31 covered with the As raw material or the Ga raw material. At this time, only Ga raw material and As raw material are supplied to the surface of the buffer layer. Therefore, the formed GaAs layer is an undoped GaAs layer to which no impurities are added.

【0060】図4(d)は成長された無ドープGaAs
層39上に半絶縁性のGaAs層を形成する様子を現し
ている。すなわち無ドープGaAs層39上にアルシン
32、TMG35と共に絶縁性を達成するための不純物
であ不純物40を供給する。絶縁層を達成するために供
給される不純物40にはFeあるいはCrあるいはMn
あるいはVあるいはCあるいはOあるいはBなどがあ
り、ここでは例えばFeを用いるとする。またMOVP
E成長においては金属をそのまま用いることはできない
ので、金属についてはそのアルキル化合物を用いること
とする。すなわちこの場合半絶縁性を達成するための不
純物40にはFeのアルキル化合物の一つであるフェロ
セン40を用いることとする。
FIG. 4D shows the grown undoped GaAs.
A state of forming a semi-insulating GaAs layer on the layer 39 is shown. That is, on the undoped GaAs layer 39, the arsine 32 and the TMG 35 are supplied together with the impurity 40 which is an impurity for achieving insulation. Impurity 40 supplied to achieve the insulating layer is Fe, Cr, or Mn.
Alternatively, there is V, C, O, or B, and here, for example, Fe is used. Also MOVP
Since the metal cannot be used as it is in the E growth, the alkyl compound is used for the metal. That is, in this case, ferrocene 40, which is one of Fe alkyl compounds, is used as the impurity 40 for achieving the semi-insulating property.

【0061】フェロセン40はアルシン32やTMG3
5と同じく成長最表面に到達吸着した後、その最表面の
原子と弱い結合を作った遷移状態を経て最終的にアルキ
ル基部分42が有利してFe原子41がGaAs結晶中
に取りこまれることとなる。
Ferrocene 40 is arsine 32 or TMG3
After reaching and adsorbing to the outermost growth surface as in No. 5, the alkyl group portion 42 is finally favored and the Fe atom 41 is incorporated into the GaAs crystal through a transition state in which a weak bond is formed with the outermost surface atom. Becomes

【0062】図4(e)は図4(d)における成膜の結
果形成された積層構造を示すもので無ドープGaAs層
39上にFeを不純物として含む半絶縁性GaAs層4
3が形成されている。この時半絶縁性GaAs層43に
おけるFe濃度は約5×10 15cm-3から5×1016
-3の間である。
FIG. 4 (e) shows the result of the film formation in FIG. 4 (d).
An undoped GaAs layer showing the formed laminated structure
Semi-insulating GaAs layer 4 containing Fe as an impurity on 39
3 is formed. At this time, the semi-insulating GaAs layer 43
Fe concentration is about 5 × 10 15cm-3From 5 × 1016c
m-3Is in between.

【0063】この後半絶縁性GaAs層43上には第1
の実施例と同じく無ドープのGaAs層やn型あるいは
p型の伝導性を持ったGaAs半導体層を積層してもよ
い。その構造および膜厚等は第1の実施例と同様なので
ここでは省略する。
On the latter half insulating GaAs layer 43, the first
As in the above embodiment, an undoped GaAs layer or a GaAs semiconductor layer having n-type or p-type conductivity may be laminated. The structure, the film thickness and the like are the same as those in the first embodiment, and therefore the description thereof is omitted here.

【0064】(第3の実施形態)次に本発明におけるS
i基板の上方に、エピタキシ成長によって設置された半
絶縁性層を含むIII−V族化合物半導体積層構造を形成
するための成膜方法について、その第3の実施例である
イオン注入法を用いた方法を説明する。
(Third Embodiment) Next, S in the present invention
Regarding the film forming method for forming the III-V group compound semiconductor laminated structure including the semi-insulating layer provided by epitaxy growth above the i substrate, the ion implantation method as the third embodiment was used. The method will be described.

【0065】今、形成する半導体積層構造においてSi
基板の上方にエピタキシ成長によって設置するIII−V
族化合物半導体の構成を簡単のためにGaAsとする。
なおこのIII−V族化合物半導体におけるIII族元素、V
族元素の構成はそれぞれGa、In、AlおよびAs、
P、Nのうちのそれぞれどの一個ずつでもよいし、複数
個ずつでもよい。
Now, in the semiconductor laminated structure to be formed, Si
III-V installed by epitaxy growth above the substrate
The group compound semiconductor is GaAs for simplicity.
In addition, in the III-V group compound semiconductor, a group III element, V
The elements of the group elements are Ga, In, Al and As, respectively.
Any one of P and N may be provided, or a plurality thereof may be provided.

【0066】図5は本発明に係る第3の実施例における
半導体積層構造の形成工程をその段階にそって模式的に
示した図面である。
FIG. 5 is a drawing schematically showing the step of forming a semiconductor laminated structure in the third embodiment according to the present invention along with its stage.

【0067】図5(a)は第1の実施形態や第2の実施
形態と同様な方法を用いてSi基板44上のバッファ層
45上に、無ドープGaAs層46を積層した様子を示
している。その詳細については両者と同様なのでここで
は省略する。
FIG. 5A shows a state in which an undoped GaAs layer 46 is laminated on the buffer layer 45 on the Si substrate 44 by using the same method as in the first and second embodiments. There is. Details thereof are the same as those of the both, and therefore will be omitted here.

【0068】図5(b)は図5(a)で形成された無ド
ープGaAs層にイオン注入装置を用いて半絶縁性を達
成するための不純物47を打ち込んでいる状態を示して
いる。この例では不純物としてCr原子を用いている。
イオン注入法ではその条件によってCr原子の分布深さ
と濃度をある範囲で設定することができる。今、無ドー
プGaAs層46とバッファ層45との界面から充分離
れた距離まで(例えば50nm)しか浸透しないように
注入条件を設定する。またその濃度を5×10 15cm-3
から5×1016cm-3となるように設定する。しかしな
がら単にCr原子を注入しただけでは半絶縁性は達成さ
れない。それは注入されただけではCr原子がGaAs
結晶の格子位置からずれたところに存在しているだけで
不純物としての能力を発揮しないからである。
FIG. 5 (b) is a schematic view of the non-deposited structure formed in FIG. 5 (a).
A semi-insulating property is achieved in the GaAs layer using an ion implanter.
Showing the state of implanting impurities 47 to form
There is. In this example, Cr atoms are used as impurities.
In the ion implantation method, the distribution depth of Cr atoms depends on the conditions.
And the concentration can be set within a certain range. No do now
Charge / separation from the interface between the GaAs layer 46 and the buffer layer 45
So that it penetrates only up to a certain distance (eg 50 nm)
Set the injection conditions. Moreover, the concentration is set to 5 × 10. 15cm-3
From 5 × 1016cm-3To be set. But
However, the semi-insulating property is achieved only by injecting Cr atoms.
I can't. It is only implanted with Cr atoms that are GaAs
It only exists at a position that is deviated from the lattice position of the crystal
This is because it does not exert its ability as an impurity.

【0069】この状態を模式的に現したのが図5(c)
である。そこで注入の終わった基板を高温でアニールす
る。これによってCr原子が移動し、GaAs結晶の格
子位置に入って半絶縁性が発現するようになる。このア
ニールの条件はそのIII−V化合物半導体の構成元素に
よって異なるが、例えばGaAs結晶では500℃〜7
00℃、15分、アルシン雰囲気中か、Si34膜でG
aAs表面を保護した状態で行う。
FIG. 5C schematically shows this state.
Is. Therefore, the implanted substrate is annealed at a high temperature. As a result, Cr atoms move and enter the lattice position of the GaAs crystal, so that semi-insulating property is exhibited. The conditions of this annealing differ depending on the constituent elements of the III-V compound semiconductor, but in the case of GaAs crystal, for example, 500 ° C to 7 ° C.
00 ° C, 15 minutes, arsine atmosphere or Si 3 N 4 film
It is performed with the aAs surface protected.

【0070】図5(d)は図5(c)でアニールを行っ
た後の状態を模式的に示した図である。図5(c)で格
子位置に入っていなかったCr原子がGaAs結晶の格
子位置に入り、且つ少し拡散してある幅を持って均一に
分布する。これによって無ドープのままの領域である無
ドープ層49と半絶縁性の領域である半絶縁層50とが
できる。
FIG. 5D is a diagram schematically showing the state after annealing in FIG. 5C. The Cr atoms, which were not in the lattice position in FIG. 5C, enter the lattice position of the GaAs crystal and are evenly diffused and uniformly distributed with a certain width. As a result, an undoped layer 49 which is an undoped region and a semi-insulating layer 50 which is a semi-insulating region are formed.

【0071】このとき、無ドープ層49の膜厚aと半絶
縁性層50の膜厚bはそれぞれ50nm以上、1μm以
上であることが好ましい。
At this time, the thickness a of the undoped layer 49 and the thickness b of the semi-insulating layer 50 are preferably 50 nm or more and 1 μm or more, respectively.

【0072】(第4の実施形態)次に本発明においてS
i基板の上方にエピタキシ成長によって設置された半絶
縁性層を含むIII−V族化合物半導体積層構造上を用
い、これを基板として半導体素子を集積した半導体装置
の構成について説明する。
(Fourth Embodiment) Next, in the present invention, S
A structure of a semiconductor device in which semiconductor elements are integrated using a III-V group compound semiconductor laminated structure including a semi-insulating layer provided by epitaxy growth above an i substrate as a substrate will be described.

【0073】今、Si基板の上方にエピタキシ成長によ
って設置されたIII−V族化合物半導体の構成を簡単の
ためにGaAsとする。なおこのIII−V族化合物半導
体におけるIII族元素、V族元素の構成はそれぞれG
a、In、AlおよびAs、P、Nのうちのそれぞれど
の一個ずつでもよいし、複数個ずつでもよい。
Now, the structure of the III-V group compound semiconductor provided by epitaxy growth above the Si substrate is GaAs for simplicity. The composition of the group III element and the group V element in this III-V group compound semiconductor is G
Any one of a, In, Al and As, P, N may be provided, or a plurality thereof may be provided.

【0074】図6は本発明の第4の実施形態に係る半導
体積層構造上に集積した半導体装置について示したもの
である。具体的には、本発明の第4の実施形態に係るS
i基板上方にエピタキシ成長された半絶縁性層を含む化
合物半導体層を基板として用い、トランジスタ、ダイオ
ード、抵抗、キャパシタ、インダクタ、配線などの素子
を集積した構造の断面の模式図である。
FIG. 6 shows a semiconductor device integrated on the semiconductor laminated structure according to the fourth embodiment of the present invention. Specifically, S according to the fourth embodiment of the present invention
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a structure in which elements such as a transistor, a diode, a resistor, a capacitor, an inductor, and a wiring are integrated using a compound semiconductor layer including a semi-insulating layer epitaxially grown above an i substrate as a substrate.

【0075】図6(a)は本発明における半導体積層構
造を用い、これを基板として発光素子および受光素子を
集積した構造について示してある。すなわちSi基板5
1上にバッファ層52を介して無ドープ層53が積層さ
れており、その上に半絶縁性層54が積層されている。
更に無ドープ層54を介してn型AlGaAs層56が
積層されている。n型AlGaAs層56はエッチング
によって加工されており、その段差の下部側にn側の電
極金属59が蒸着されている。また段差の上部側には活
性層と呼ばれるGaAs層57が積層されている。通常
このGaAs活性層57は無ドープのものが用いられ
る。その上にはp型AlGaAs層58が積層されてい
る。n型AlGaAs層56およびp型AlGaAs層
58は発光素子であるレーザダイオードあるいは発光ダ
イオードのクラッド層として機能するもので、電極金属
から供給した電流および素子自体が発生させた光を活性
層中に閉じ込め、効率よく発光させる働きを持つ。Al
GaAsはGaAsに比べてそのバレンスバンドが低
く、コンダクションバンドが高くて総じてバンドギャッ
プが大きい。これによってn型AlGaAs56から供
給された電子はコンダクションバンド側で無ドープGa
As活性層57に落ち込み、p型AlGaAs58には
流れ出さない。またp型AlGaAs58から供給され
たホールは同じくバレンスバンド側で無ドープGaAs
活性層57に落ち込み、n型AlGaAs56には流れ
出さない。よって電子とホールは効率よく無ドープGa
As活性層57で直接遷移によって閉じ込められて再結
合を起こしそのバンドギャップに応じた光を発する。ま
たAlGaAsはGaAsに比べてその屈折率が若干小
さい。今積層構造と垂直な方向で屈折率の分布を考えた
場合、活性層57で最も屈折率が高く、クラッド層と呼
ばれるn型AlGaAs層56およびp型AlGaAs
層58で小さい。スネルの法則によって活性層中で発生
した光のうち積層構造に対して狭い角度で進行する光は
活性層57とクラッド層56、58界面で全反射を起こ
して活性層57中に閉じ込められることとなる。従って
発生した光によって更に誘導放出が起こる確率が高くな
り、発光の効率が増す。p型AlGaAsクラッド層5
8上にはp側電極金属59が蒸着されている。
FIG. 6A shows a structure in which a semiconductor laminated structure according to the present invention is used and a light emitting element and a light receiving element are integrated using this as a substrate. That is, the Si substrate 5
An undoped layer 53 is laminated on the first layer via a buffer layer 52, and a semi-insulating layer 54 is laminated thereon.
Further, an n-type AlGaAs layer 56 is laminated via an undoped layer 54. The n-type AlGaAs layer 56 is processed by etching, and the n-side electrode metal 59 is deposited on the lower side of the step. A GaAs layer 57 called an active layer is laminated on the upper side of the step. Normally, the undoped GaAs active layer 57 is used. A p-type AlGaAs layer 58 is laminated on it. The n-type AlGaAs layer 56 and the p-type AlGaAs layer 58 function as a clad layer of a laser diode or a light emitting diode which is a light emitting element, and confine the current supplied from the electrode metal and the light generated by the element itself in the active layer. , Has the function of emitting light efficiently. Al
GaAs has a lower valence band, a higher conduction band, and a larger band gap than GaAs. As a result, the electrons supplied from the n-type AlGaAs 56 are undoped Ga on the conduction band side.
It falls into the As active layer 57 and does not flow into the p-type AlGaAs 58. The holes supplied from p-type AlGaAs 58 are also undoped GaAs on the valence band side.
It falls into the active layer 57 and does not flow out into the n-type AlGaAs 56. Therefore, electrons and holes are efficiently undoped Ga
The As active layer 57 is confined by a direct transition to cause recombination and emits light corresponding to the band gap. AlGaAs has a slightly smaller refractive index than GaAs. Now, considering the distribution of the refractive index in the direction perpendicular to the laminated structure, the active layer 57 has the highest refractive index, and the n-type AlGaAs layer 56 and the p-type AlGaAs called the clad layer
Small in layer 58. Of the light generated in the active layer according to Snell's law, the light traveling at a narrow angle with respect to the laminated structure is totally reflected at the interface between the active layer 57 and the cladding layers 56 and 58, and is confined in the active layer 57. Become. Therefore, the probability of further stimulated emission by the generated light is increased, and the efficiency of light emission is increased. p-type AlGaAs cladding layer 5
A p-side electrode metal 59 is vapor-deposited on the surface 8.

【0076】また同じ基板上の第2の無ドープ層48上
にp型GaAs層60が積層されている。この上には無
ドープGaAs層61が積層されており、更にその上に
n型GaAs層62が積層されている。p型GaAs層
60はエッチングによって段差が形成されており、段差
の下部にはp側の電極金属59が、段差の上のn型Ga
As層62上にはn側電極金属59が蒸着されている。
この部分は、n型GaAs層62の表面に光があたると
p側―n側電極間で電流が発生し、これによって受光素
子として働く。
A p-type GaAs layer 60 is laminated on the second undoped layer 48 on the same substrate. An undoped GaAs layer 61 is laminated on this, and an n-type GaAs layer 62 is further laminated thereon. A step is formed in the p-type GaAs layer 60 by etching, and a p-side electrode metal 59 is formed below the step and an n-type Ga above the step is formed.
An n-side electrode metal 59 is vapor-deposited on the As layer 62.
In this portion, when light is applied to the surface of the n-type GaAs layer 62, a current is generated between the p-side and n-side electrodes, and this serves as a light receiving element.

【0077】これらの発光素子と受光素子はエッチング
などによる溝構造(トレンチ)63で分離されている。
両者を支持する半絶縁性層54はその抵抗が非常に大き
いので二つの素子を電気的に完全に分離された状態にお
くことができ、両者は相互に電気的な影響を受けない。
These light emitting element and light receiving element are separated by a groove structure (trench) 63 formed by etching or the like.
The semi-insulating layer 54 supporting both of them has a very high resistance, so that the two elements can be kept electrically completely separated from each other, and the two elements are not electrically influenced by each other.

【0078】図6(b)は本発明における半導体積層構
造を用い、これを基板として電界効果型トランジスタ6
7およびpn接合ダイオード68および金属配線とそれ
を用いたインダクタ69およびMIS型キャパシタ70
などの素子を集積した構造についてしめしてある。すな
わちSi基板64上にバッファ層65を介して無ドープ
層66が積層されており、その上に半絶縁性層67が積
層されている。この半絶縁性層67中に部分的にイオン
注入を行うことでp型注入領域61とn型注入領域62
を形成する。p型注入領域61はp型伝導半導体とな
り、n型注入領域62n型伝導半導体となる。イオン注
入の条件を選ぶことによって一旦p型とした半絶縁性層
67もn型注入によってn型伝導半導体層とすることが
できる。さらにマスクを使って部分的にゲートスタック
構造63、絶縁膜64を形成する。ゲートスタック構造
63は高融点金属のみで形成されている場合もあれば、
絶縁膜と金属とによる積層構造になっている場合もあ
る。p型注入領域61、n型注入領域62、ゲートスタ
ック63、絶縁膜64および半絶縁性GaAs層60上
に、マスクを使って部分的に電極金属65および配線お
よびインダクタ66を形成する。その結果領域67には
電界効果型トランジスタ、領域68にはpn接合ダイオ
ード、領域69には配線およびインダクタ、領域70に
はMIS型キャパシタが形成される。
FIG. 6B shows a field effect transistor 6 using the semiconductor laminated structure of the present invention as a substrate.
7 and pn junction diode 68, metal wiring, inductor 69 and MIS type capacitor 70 using the same
It shows the structure that integrates such elements. That is, the undoped layer 66 is laminated on the Si substrate 64 via the buffer layer 65, and the semi-insulating layer 67 is laminated thereon. Ions are partially implanted into the semi-insulating layer 67 to form a p-type implantation region 61 and an n-type implantation region 62.
To form. The p-type injection region 61 becomes a p-type conduction semiconductor and the n-type injection region 62 becomes an n-type conduction semiconductor. By selecting the ion implantation conditions, the semi-insulating layer 67 once made to be p-type can also be made an n-type conductive semiconductor layer by n-type implantation. Further, the gate stack structure 63 and the insulating film 64 are partially formed using a mask. In some cases, the gate stack structure 63 is formed of only a refractory metal,
In some cases, it has a laminated structure of an insulating film and a metal. On the p-type implantation region 61, the n-type implantation region 62, the gate stack 63, the insulating film 64 and the semi-insulating GaAs layer 60, the electrode metal 65 and the wiring and the inductor 66 are partially formed using a mask. As a result, a field effect transistor is formed in the region 67, a pn junction diode is formed in the region 68, a wiring and an inductor are formed in the region 69, and a MIS type capacitor is formed in the region 70.

【0079】半絶縁性GaAs層60が非常に高抵抗で
あるため、配線およびインダクタ69を含めトランジス
タ67やダイオード68、キャパシタ70は他の素子か
ら完全に分離されており電気的な影響を受けたり与えた
りすることが無い。
Since the semi-insulating GaAs layer 60 has a very high resistance, the transistor 67 including the wiring and the inductor 69, the diode 68, and the capacitor 70 are completely separated from other elements and may be electrically affected. There is nothing to give.

【0080】[0080]

【発明の効果】本発明におけるSi基板上方へのIII−
V族化合物半導体層のエピタキシ成長において、Feあ
るいはCrあるいはMnあるいはVあるいはOあるいは
Bの一つ、あるいはそれらのいくつかを不純物として添
加することで化合物半導体層を高抵抗化し、Si基板上
方に半絶縁性の化合物半導体層が設置されたSi上III
−V族化合物半導体積層基板を形成することが実現でき
る。これにより今まで存在しなかったSi基板を利用し
た半絶縁性III−V族化合物半導体エピタキシ成長基板
が実現可能となり、低コストで8インチを超える大面積
の半絶縁性III−V族化合物半導体基板が実現する。更
にこの上に素子を集積することで高速で低消費電力な半
導体装置を安価に製造できるようになる。
INDUSTRIAL APPLICABILITY In the present invention, III-
In the epitaxial growth of the group V compound semiconductor layer, one of Fe, Cr, Mn, V, O or B, or some of them is added as an impurity to increase the resistance of the compound semiconductor layer, so that the semiconductor layer above the Si substrate has a high resistance. On Si on which an insulating compound semiconductor layer is provided III
It is feasible to form a group V compound semiconductor laminated substrate. As a result, a semi-insulating III-V group compound semiconductor epitaxial growth substrate using a Si substrate which has never existed until now can be realized, and a large-area semi-insulating III-V group compound semiconductor substrate exceeding 8 inches at low cost can be realized. Will be realized. Further, by integrating elements on this, a high-speed and low-power-consumption semiconductor device can be manufactured at low cost.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1の実施形態に係る分子線エピタキ
シ装置の断面模式図
FIG. 1 is a schematic sectional view of a molecular beam epitaxy apparatus according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第1の実施形態に係るSi基板上方へ
の半絶縁性層を含む化合物半導体層のエピタキシ成長の
過程を段階的に示した模式図
FIG. 2 is a schematic diagram showing stepwise a process of epitaxy growth of a compound semiconductor layer including a semi-insulating layer above a Si substrate according to the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第2の実施形態に係る有機金属気相成
長装置の断面模式図
FIG. 3 is a schematic sectional view of a metal-organic vapor phase epitaxy apparatus according to a second embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第2の実施形態に係るSi基板上方へ
の半絶縁性層を含む化合物半導体層のエピタキシ成長の
過程を段階的に示した模式図
FIG. 4 is a schematic diagram showing stepwise a process of epitaxy growth of a compound semiconductor layer including a semi-insulating layer above a Si substrate according to a second embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第3の実施形態に係るSi基板上方へ
の半絶縁性層を含む化合物半導体層のエピタキシ成長の
過程を段階的に示した模式図
FIG. 5 is a schematic diagram showing stepwise a process of epitaxy growth of a compound semiconductor layer including a semi-insulating layer above a Si substrate according to a third embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第4の実施形態に係るSi基板上方に
エピタキシ成長された半絶縁性層を含む化合物半導体層
を基板として用い、トランジスタ等の素子を集積した構
造の断面模式図
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a structure in which elements such as transistors are integrated using a compound semiconductor layer including a semi-insulating layer epitaxially grown above a Si substrate according to a fourth embodiment of the present invention as a substrate.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 Si基板 12 バッファ層 13 As原料 14 Ga原料 15 無ドープGaAs層 16 不純物 17 半絶縁性GaAs層 18 第2の無ドープGaAs層 19 GaAs層 20 不純物 11 Si substrate 12 buffer layers 13 As raw material 14 Ga raw material 15 Undoped GaAs layer 16 impurities 17 Semi-insulating GaAs layer 18 Second undoped GaAs layer 19 GaAs layer 20 impurities

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4G077 AA03 AB06 BE13 BE15 BE43 BE44 BE46 BE47 BE48 DA04 DA05 EA07 EB01 EB05 ED06 HA06 SA04 SA07 SC02 SC12 5F045 AA05 AB10 AD08 AD09 AD10 AD11 AF03 BB16 CA09 DA53 DA57    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    F-term (reference) 4G077 AA03 AB06 BE13 BE15 BE43                       BE44 BE46 BE47 BE48 DA04                       DA05 EA07 EB01 EB05 ED06                       HA06 SA04 SA07 SC02 SC12                 5F045 AA05 AB10 AD08 AD09 AD10                       AD11 AF03 BB16 CA09 DA53                       DA57

Claims (14)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 Si基板の上方にエピタキシ成長によっ
て設置されたIII−V族化合物結晶層が、Fe(鉄)あ
るいはCr(クロム)あるいはMn(マンガン)あるい
はV(バナジウム)あるいはC(炭素)あるいはO(酸
素)あるいはB(ホウ素)のうちの少なくとも一つを含
むことを特徴とする半導体積層構造。
1. A III-V group compound crystal layer provided by epitaxy growth on a Si substrate, wherein Fe (iron), Cr (chromium), Mn (manganese), V (vanadium), C (carbon) or A semiconductor laminated structure comprising at least one of O (oxygen) and B (boron).
【請求項2】 III−V族化合物薄膜結晶層の比抵抗が
1×107Ωcm以上であり半絶縁性を示すことを特徴
とする請求項1に記載の半導体積層構造。
2. The semiconductor laminated structure according to claim 1, wherein the III-V compound thin film crystal layer has a specific resistance of 1 × 10 7 Ωcm or more and exhibits a semi-insulating property.
【請求項3】 半絶縁性III−V族化合物結晶層の上部
あるいは下部あるいはその両方に、エピタキシ成長され
た無ドープIII−V族化合物結晶層が設置されているこ
とを特徴とする請求項2に記載の半導体積層構造。
3. A semi-insulating III-V compound crystal layer is provided with an epitaxy-grown undoped III-V compound crystal layer above or below or both. The semiconductor laminated structure according to.
【請求項4】 半絶縁性層III−V族化合物結晶層の上
方にn型あるいはp型の導電性を示すIII−V族化合物
結晶層がエピタキシ成長によって設置されていることを
特徴とする請求項2又は3に記載の半導体積層構造。
4. A III-V compound crystal layer exhibiting n-type or p-type conductivity is provided by epitaxy above the semi-insulating layer III-V compound crystal layer. Item 4. The semiconductor laminated structure according to item 2 or 3.
【請求項5】 半絶縁性III−V族化合物結晶層の膜厚
が1μm以上であることを特徴とする請求項2から4の
何れかに記載の半導体積層構造。
5. The semiconductor laminated structure according to claim 2, wherein the semi-insulating group III-V compound crystal layer has a film thickness of 1 μm or more.
【請求項6】 無ドープIII−V化合物半導体結晶層の
膜厚が50nm以上であることを特徴とする請求項3か
ら5の何れかに記載の半導体積層構造。
6. The semiconductor laminated structure according to claim 3, wherein the film thickness of the undoped III-V compound semiconductor crystal layer is 50 nm or more.
【請求項7】 請求項1から6の何れかに記載の半導体
積層構造を基板として、トランジスタ、ダイオード、抵
抗、キャパシタ、インダクタ、配線などの素子が集積さ
れていることを特徴とする半導体素子。
7. A semiconductor element, wherein elements such as a transistor, a diode, a resistor, a capacitor, an inductor, and a wiring are integrated with the semiconductor laminated structure according to claim 1 as a substrate.
【請求項8】 Si基板の上方にIII−V族化合物半導
体結晶層をエピタキシ成長させる過程において、III族
元素原料とV族元素原料に加えてFeあるいはCrある
いはMnあるいはVあるいはCあるいはOあるいはBの
うちの少なくとも一つを供給することを特徴とする半導
体積層構造の製造方法。
8. In the process of epitaxially growing a III-V group compound semiconductor crystal layer above a Si substrate, Fe, Cr, Mn, V, C, O or B in addition to the group III element raw material and the group V element raw material. At least one of the above is supplied, The manufacturing method of the semiconductor laminated structure characterized by the above-mentioned.
【請求項9】 10-6Torr(1Torr=133.
322Pa)以下に減圧可能なMBE装置を用い、III
−V族化合物半導体の構成材料であるIII族元素原料お
よびV族元素原料の金属に加えて、Fe原料あるいはC
r原料あるいはMn原料あるいはV原料あるいはC原料
あるいはB原料の一つ、あるいは複数の金属を供給し、
かつその供給方法にクヌードセンセル(K−セル)ある
いはフィラメントセルを用いた抵抗加熱による供給方法
かあるいは電子線(EB:Electron Bea
m)加熱による供給方法を用いることを特徴とする請求
項8に記載の半導体積層構造の製造方法。
9. 10 −6 Torr (1 Torr = 133.
322 Pa) or less using an MBE device capable of decompressing, III
In addition to the group III element raw material and the group V element raw material metal, which are constituent materials of the group V compound semiconductor, a Fe raw material or C
One or more metals of r raw material, Mn raw material, V raw material, C raw material or B raw material are supplied,
In addition, the supply method may be a resistance heating method using a Knudsen cell (K-cell) or a filament cell, or an electron beam (EB: Electron Bea).
m) The method for manufacturing a semiconductor laminated structure according to claim 8, wherein a supplying method by heating is used.
【請求項10】 10-6Torr以下に減圧可能なMB
E装置を用い、III−V族化合物半導体の構成材料であ
るIII族元素原料およびV族元素原料の金属に加えて、
O原料を供給し、その供給方法にN2O(亜酸化窒素)
やO3(オゾン)などの高酸化性ガスを用いるか、ある
いはO2ガスをプラズマ化などにより励起することによ
ってO2ガスそのものよりも高い反応性の状態にして用
いることを特徴とする請求項8に記載の半導体積層構造
の製造方法。
10. MB capable of reducing the pressure to 10 −6 Torr or less
Using the E apparatus, in addition to the metal of the group III element raw material and the group V element raw material which are the constituent materials of the III-V group compound semiconductor,
O raw material is supplied and the supply method is N 2 O (nitrous oxide)
A highly oxidative gas such as or O 3 (ozone) is used, or the O 2 gas is made into a state of higher reactivity than the O 2 gas itself by exciting the O 2 gas by plasma or the like. 8. The method for manufacturing a semiconductor laminated structure according to item 8.
【請求項11】 有機金属気相成長法を用いIII族金属
アルキル化合物およびV族水素化物のIII−V族化合物
構成材料に加えてFeあるいはCrあるいはMnあるい
はVあるいはCあるいはBのいずれか一つ、あるいはそ
の複数の有機金属化合物あるいはその錯体を加えて成膜
することによって、半絶縁性III−V族化合物半導体結
晶層をSi基板の上方に形成することを特徴とする請求
項8に記載の半導体積層構造の製造方法。
11. Any one of Fe, Cr, Mn, V, C, and B in addition to the III-V group compound material of the III-group metal alkyl compound and the V-group hydride by using the metal organic chemical vapor deposition method. 9. The semi-insulating group III-V compound semiconductor crystal layer is formed above the Si substrate by adding a plurality of organic metal compounds or their complexes to form a film. Manufacturing method of semiconductor laminated structure.
【請求項12】 Si基板の上方にエピタキシ成長によ
って設置された無ドープのIII−V族化合物薄膜結晶層
にFeあるいはCrあるいはMnあるいはVあるいはC
あるいはOあるいはBのうちの一つ、あるいは複数の元
素あるいはその化合物をイオン注入することにより、S
i基板の上方に形成されたIII−V族化合物薄膜結晶層
の全部あるいは所定の膜厚部分の比抵抗を1×107Ω
cm以上として半絶縁性にすることを特徴とする半導体
積層構造の製造方法。
12. Fe, Cr, Mn, V, or C in an undoped III-V compound thin film crystal layer provided by epitaxy growth above a Si substrate.
Alternatively, by ion-implanting one of O or B, or a plurality of elements or compounds thereof, S
The resistivity of the entire III-V compound thin film crystal layer formed on the i substrate or a predetermined film thickness portion is 1 × 10 7 Ω.
A method for manufacturing a semiconductor laminated structure, characterized by having a semi-insulating property with a height of cm or more.
【請求項13】 III−V族化合物がGaあるいはIn
あるいはAlのIII族元素のいずれか一つあるいはその
複数と、As(砒素)あるいはP(燐)あるいはN(窒
素)のV族元素のいずれか一つあるいはその複数とによ
って構成された化合物であることを特徴とする請求項1
から6の何れかに記載の半導体積層構造。
13. The III-V group compound is Ga or In.
Alternatively, it is a compound composed of any one or more of group III elements of Al and one or more of group V elements of As (arsenic), P (phosphorus) or N (nitrogen). Claim 1 characterized by the above.
7. The semiconductor laminated structure according to any one of 1 to 6.
【請求項14】 III−V族化合物がGaあるいはIn
あるいはAlのIII族元素のいずれか一つあるいはその
複数と、As(砒素)あるいはP(燐)あるいはN(窒
素)のV族元素のいずれか一つあるいはその複数とによ
って構成された化合物であることを特徴とする請求項8
から13の何れかに記載の半導体積層構造の製造方法。
14. The III-V group compound is Ga or In.
Alternatively, it is a compound composed of any one or more of the group III elements of Al and one or more of the group V elements of As (arsenic), P (phosphorus) or N (nitrogen). 9. The method according to claim 8, wherein
14. The method for manufacturing a semiconductor laminated structure according to any one of 1 to 13.
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Cited By (4)

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